1 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
UNIVERSITÉ DE PARAKOU
FACULTÉ DE MEDECINE
DÉPARTEMENT DES SCIENCES FONDAMENTALES ET ANATOMIE
UER DE BIOCHIMIE
SYLLABUS DE L’ENSEIGNEMENT /
APPRENTISAGE THÉORIQUE
UE : BIOCHIMIE 1
ECUE : BIOCHIMIE STRUCTURALE
Licence 1
Année académique 2022 - 2023
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UE : BIOCHIMIE 1 - ECUE BIOCHIMIE STRUCTURALE
Enseignant
GOMINA Moutawakilou
Professeur des Universités du CAMES
UER de Biochimie
Tel : + 229 95 96 69 40
elboutraguero@yahoo.fr
Langue d’enseignement
Français
Lieu du cours
Université de Parakou
Cycle et année
Licence 1 – Médecine générale
Activité pédagogique
Cours théoriques et interactifs
Outil pédagogiques et de
communication
Projections PowerPoint
Polycopiés et fichiers numériques en pdf
Plateforme e-learning
Objectifs généraux du
cours
Acquérir des notions sur les structures de base des biomolécules
Présenter un aperçu sur la biocatalyse
Méthodes
d’enseignement
Séance introductive par le responsable de l’Unité d’Enseignement (UE)
Approche par compétences ; cours magistraux avec illustrations ; cours en ligne (Plateforme e-learning)
Mode d’évaluation des
cours
Examen écrit composé : QCM, QROC, résolution de problèmes, questions rédactionnelles
Outils didactiques
Biochimie médicale (P. Louisot)
Principe de biochimie (A. L. Lehninger)
Biochimie de Harper (R. K. Murray)
Biochimie dynamique (P. Borel)
Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
Biochemistry (R. A. Harvey)
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CONTENU DU PROGRAMME D’ENSEIGNEMENT/APPRENTISSAGE
Structure des glucides
Structure des lipides
Structure des acides aminés, peptides et protéines
Structure des hémoglobines humaines
Enzymologie générale
Structure des acides nucléiques
Vitamines et coenzymes
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STRUCTURE DES GLUCIDES
OBJECTIFS
1. Définir les glucides et décrire leurs rôles
2. Effectuer la classification des glucides
3. Ecrire la structure linéaire des aldopentoses, aldohexoses, cétopentoses et cétohexoses
4. Effectuer la filiation des aldoses et des cétoses
5. Ecrire la structure cyclique des aldopentoses, aldohexoses, cétopentoses et cétohexoses à partir des structures linéaires correspondantes
6. Décrire les propriétés physiques et chimiques des oses
7. Ecrire la structure des oses d’intérêt biologique ainsi que leurs dérivés et décrire leurs rôles
8. Déterminer la séquence d’un oligoside
9. Nommer un oligoside
10. Décrire quelques oligosides d’intérêt : saccharose, lactose, tréhalose, cellobiose, maltose, isomaltose…
11. Décrire la structure des polyosides : amidon, glycogène, inuline
12. Etablir la classification des hétérosides et décrire leurs rôles
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1- Généralités
1.1- Définition et rôles des glucides
Les glucides sont des composés organiques caractérisés par la coexistence, dans la même molécule, de plusieurs fonctions alcool et d’une fonction réductrice (aldéhyde ou cétone).
Les glucides forment un groupe de substances naturelles et synthétiques largement répandues chez tous les êtres vivants et jouant plusieurs rôles dont les principaux sont :
- Eléments structuraux
Cas de la paroi pectocellulosique (constituée de cellulose) qui donne à la cellule végétale sa rigidité lui permettent de garder sa forme polyédrique
L’exosquelette de invertébrés (insectes, crustacées) est constitué de chitine résistante à l’hydrolyse (en raison de sa richesse riche en hexosamines)
La muréine ou mucopeptide ou peptidoglycane participe pour une part importante à la structure de la paroi bactérienne. Elle est constituée d’une succession de N-acétylglucosamine (NAG) et d’acide N-acétylmuramique (ANAM ou NAM) reliés pas des chaînes peptidiques, l’ensemble formant une charpente responsable de la solidité et de la rigidité de la paroi bactérienne. Cette architecture rend la paroi bactérienne résistante aux pressions élevées.
- Réserve énergétique
Le glycogène dont l’hydrolyse libère du glucose, un substrat énergétique chez les animaux
L’amidon issu des végétaux, dont l’hydrolyse libère également du glucose
- Composants de métabolites fondamentaux : les glucides sont des intermédiaires des voies métaboliques ; ils entrent aussi dans la structure des acides nucléiques, des coenzymes…
- Expression des déterminants antigéniques : les haptènes du groupe sanguin du système ABO des érythrocytes sont des glucides. Répartis sur la membrane du globule rouge, ces molécules de glucides (galactose, fucose, N-acétylglucosamine et N-acétylgalactosamine) permettent
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selon leur organisation en oligosaccharides de déterminer les antigènes des groupes sanguins A, B et O.
- Reconnaissance cellulaire : les glycoprotéines membranaires jouent un rôle majeur dans la signalisation intercellulaire.
1.2- Classification
Les glucides sont divisés en deux grands groupes : les oses et les osides.
1.2.1- Oses
Encore appelés monosaccharides, les oses sont des sucres simples non hydrolysables. Leur formule brute peut s’écrire
CH2O
n ou Cn(H2O)p avec n ≥ 3 et n ≥ p; d’où le nom d’hydrate de carbone qui leur a été attribué.
Les dérivés d’oses sont obtenus par modification d’une fonction alcool et ou de la fonction réductrice.
Les oses contiennent dans leur structure (n-1) fonctions alcools et une fonction carbonylée réductrice aldéhydique ou cétonique.
Suivant que la fonction réductrice est une fonction pseudo-aldéhydique ou une fonction pseudo-cétonique, ils portent le nom d’aldoses ou de cétoses.
Par ailleurs, on les classe suivant le nombre d’atomes de carbone contenus dans la molécule. Ainsi :
- 3 C = triose ;
- 4 C = tétrose ;
- 5 C = pentose ;
- 6 C = hexose ;
- 7 C = heptose.
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En tenant compte à la fois du nombre d’atomes de carbone et de la nature de la fonction carbonylée, on distingue par exemple :
Nombre de carbones
Aldéhyde
Cétone
3
Aldotriose
Cétotriose
4
Aldotétrose
Cétotétrose
5
Aldopentose
Cétopentose
6
Aldohexose
Cétohexose
7
Aldoheptose
Cétoheptose
1.2.2- Osides
Ce sont des composés qui donnent par hydrolyse un ou plusieurs oses. Ils sont subdivisés en holosides et hétérosides.
1.2.2.1- Holosides
Ce sont des combinaisons de plusieurs molécules d’oses unies par des liaisons osidiques (glycosidiques).
D’après le nombre de molécules d’oses ainsi unies entres elles on distinguera :
- les diholosides, constitués de deux molécules d’oses ;
- les triholosides, constitués de trois molécules d’oses ;
- les tétraholosides, constitués de quatre molécules d’oses.
Les oligosides sont constitués de l’association de 2 à 20 molécules d’oses tandis que les polyosides contiennent plus de 20 molécules d’oses.
1.2.2.2- Hétérosides
Ce sont des associations de molécules d’oses avec un groupement non glucidique appelé aglycone. C’est le cas des glycoprotéines et des glycolipides.
Le schéma ci-dessous présente le résumé de la classification des oses.
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2- Oses
2.1- Structure linéaire des oses
La plupart des oses naturels ont une structure non ramifiée, à l’exception du streptose retrouvé dans la structure de la streptomycine.
2.1.1- Nomenclature
La formule linéaire des oses est représentée de telle manière que la numérotation soit croissante de la droite vers la gauche ou plus généralement de haut en bas.
4 3 2 1 O
CH2OH CHOH CHOH C ou
H
Aldotétrose
Le carbone le plus oxydé porte l’indice le plus faible.
Les règles de nomenclature des oses sont les mêmes que celles établies par l’union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA). Mais pour des raisons d’usage, les oses ont des noms triviaux que nous apprendrons à connaître tout au long de ce cours.
En biochimie, l’on utilise une abréviation à trois lettres pour désigner les oses.
Exemples : Glc = glucose ; Gal = galactose ; Fru = fructose ; Man = mannose ; Fuc = fucose ; GlcNac = N-acétylglucosamine ; GalNAc = N-acétylgalactosamine
Glucides
Oses
Osides
Aldoses + dérivés
Cétoses + dérivés
Holosides
Oligosides
Polyosides
Hétérosides
Glycolipides
Glycoprotéines
H 1 O
C l
2 CHOH
l
3 CHOH
l 4 CH2OH
Aldotétrose
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2.1.2- Stéréo-isomérie
2.1.2.1- Activité optique
Tous les oses naturels, en dehors du dihydroxyacétone, possèdent au moins un carbone asymétrique (relié à quatre groupements différents).
En prenant pour exemple le glycéraldéhyde, premier terme de la série des aldoses (aldotriose), dont le carbone central est asymétrique, on observe une activité optique (déviation de la lumière polarisée).
Le glycéraldéhyde, molécule chirale, placée dans un polarimètre traversé par un faisceau de lumière polarisée plane provoque la rotation du plan de polarisation d’un angle α appelé pouvoir rotatoire. Pour cela, la molécule est dite optiquement active.
Deux énantiomères ont leurs pouvoirs rotatoires opposés. L’isomère qui fait tourner le plan de polarisation vers la droite est dit dextrogyre : d ou (+). L’autre est lévogyre : l ou (-). La figure suivante montre le schéma d’un polarimètre.
La loi de BIOT permet de calculer le pouvoir rotatoire spécifique [
] constant pour un composé actif (la température, le solvant et la longueur d’onde de la lumière étant fixés) :
[
] =
α = rotation observée en degré
l = épaisseur de la cuve en dm contenant la solution
c = concentration de la solution en g/mL ou g/cm3
Un mélange équimolaire de deux énantiomères est optiquement inactif ([α] = 0) ; c’est un mélange racémique désigné par le symbole (±).
Lumière naturelle
Lumière polarisée
Solution du composé actif
Polariseur
Analyse
Lampe à vapeur de sodium
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2.1.2.2- Convention D ou L
Par convention, dans la représentation de FISCHER, l’ose de la série D a l’hydroxyle porté par le carbone le plus éloigné du groupe le plus oxydé (n-1) à droite. Si l’hydroxyle est à gauche, l’ose appartient à la série L.
Exemples :
CHO CHO
H C OH HO C H
CH2OH CH2 OH
D - glycéraldéhyde L - glycéraldéhyde
NB :
- La plupart des oses naturels appartiennent à la série D.
- L’appartenance d’un ose à la série D ou L ne présume en rien le sens de son pouvoir rotatoire. Le sens droit ou gauche et la valeur absolue de l’activité optique de l’ose sont la résultante algébrique des effets propres à chacun des hydroxyles.
2.1.3- Filiation des oses
2.1.3.1- Synthèse cyanhydrique de KILIANI – FISCHER
Elle permet d’augmenter le nombre d’atomes de carbone de la chaîne d’un ose unité par unité. L’ose de départ s’allonge d’un chaînon monocarboné porteur d’une fonction alcool secondaire.
CHO CHOH – CN CHOH– CONH2
H C OH HCN H C OH H2O H C OH
CH2OH CH2OH CH2OH
D - glycéraldéhyde Cyanhydrine Amide
(aldotriose) H2O
CHOH – CHO CHOH – COOH CHOH – COONH4
H C OH H2 H C OH -NH3 H C OH
CH2OH CH2OH CH2OH
Aldotétrose Acide Sel d’ammonium
Dans l’aldotétrose, on a introduit un deuxième carbone asymétrique.
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En partant du D - glycéraldéhyde, on peut donc avoir deux formes de tétroses :
H – C = O
H C OH
CH2OH
D- glycéraldéhyde
H – C = O H – C = O
HO –C - H H – C – O – H
H – C – OH H – C – OH
CH2OH CH2OH
D- thréose D- érythrose
En continuant l’allongement de la chaîne, on peut considérer que chaque tétrose donnera deux pentoses et chaque pentose deux hexoses.
En résumé, en partant du D - glycéraldéhyde, on obtient 2 tétroses, 4 pentoses, 8 hexoses.
En ce qui concerne les cétoses, le chef de file, le dihydroxyacétone, ne contient pas de carbone asymétrique ; mais, à partir de ce cétotriose, on peut passer à des tétroses qui en contiennent un.
CH2OH
C=O
CH2OH
Dihydroxyacétone
CH2OH CH2OH
C = O C = O
HO – C – H H – C – OH
CH2OH CH2OH
L- érythrulose D - érythrulose
A partir de chacun de ces tétroses, on peut envisager la construction d’une série L ou D. Chaque série ne comportera que 2 pentoses et 4 hexoses.
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Filiation des aldoses
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2.1.3.2- Conséquence de la filiation des oses
A- Epimérisation
Dans la filiation des oses, l’apparition d’un nouvel atome de carbone asymétrique entraine une nouvelle possibilité d’isomérie de position de l’hydroxyle.
On appelle épimères, deux structures qui ne diffèrent entre elles que par la configuration d’un seul carbone asymétrique dans une molécule qui en contient plusieurs.
En partant du D - glycéraldéhyde, on obtient par filiation deux tétroses épimères : le D-érythrose et le D-thréose.
CHO CHO
H – C – OH HO – C – H
H – C – OH H – C – OH
CH2OH CH2OH
D- Erythrose D- Thréose
La réaction d’épimérisation permet de passer d’un épimère à un autre soit par voie chimique, soit par voie enzymatique catalysée par une épimérase.
Application : La galactosémie congénitale est une maladie grave du nourrisson due à un déficit de l’une des enzymes du métabolisme du galactose, en particulier à l’absence d’épimérisation enzymatique du galactose en glucose.
B- Interconversion des oses
C’est une réaction équilibrée qui transforme un aldose en un cétose ayant le même nombre d’atomes de carbone. Elle permet de passer d’un aldose à un cétose et vice versa.
CHO CH2OH CHO
H – C – OH C = O HO – C – H
HO – C – H HO – C – H HO – C – H
H – C – OH H – C – OH H – C – OH
H – C – OH H – C – OH H – C – OH
CH2OH CH2OH CH2OH
D – glucose D – fructose D – mannose
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C- Séries D et L
Les oses de la série D ou D – oses sont ceux dont l’hydroxyle porté par le carbone (n-1) a la même configuration spatiale que l’hydroxyle porté par le C2 du D – glycéraldéhyde.
Appartiennent à la série L ou L – oses, les oses dont l’hydroxyle porté par le carbone (n-1) a la même configuration spatiale que l’hydroxyle porté par le C2 du L – glycéraldéhyde.
2.1.3.3- Dégradation de WOHL-ZEMPLEN
C’est l’inverse de la synthèse cyanhydrique aboutissant à la réduction de la chaine carbonée de l’ose. Décrite pour la première fois par WOHL, cette séquence réactionnelle a été modifiée par ZEMPLEN.
CHO CH = N – OH CN
H – C – OH H – C – OH H -C – O-Ac
HO – C – H HO – C – H Ac – O – C – H
H – C – OH H – C – OH H – C – O-Ac
H – C – OH H – C – O – H H – C – O – Ac
CH2OH CH2OH CH2O-Ac
D- glucose Oxime du Cyanhydrine pentacétique
D- glucose
CHO
HO – C – H
H – C – OH + CN-
H – C – OH + Na+
CH2OH
D- arabinose
2.1.3.4- Dégradation de RUFF
Elle se fait à partir de l’acide aldonique de l’ose, qui après oxydation par le peroxyde d’hydrogène en presence d’ions ferriques, donne un alphacétoacide qui subit une décarboxylation en milieu alcalin pour donner un aldose amputé d’un atome de carbone.
NaOCH3
Anhydride acétique en milieu acétate
Milieu faiblement alcalin
H2N-OH
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2.2- Structure cyclique des oses
La structure linéaire des oses ne permet pas d’expliquer un certain nombre de leurs propriétés.
2.2.1- Arguments réfutant la structure linéaire des oses
A- Action de la fuchsine
Les aldoses ne recolorent pas la fuchsine préalablement décolorée par le bisulfite (réactif de Schiff) contrairement aux aldéhydes vrais qui la recolorent.
Les aldoses ne donnent donc pas la réaction bisulfitique suivante :
RCHO + NaHSO3 RCHOH – SO3Na
B- Réaction avec les alcools
Les fonctions aldéhydes des oses ne permettent pas la formation d’acétals mais seulement d’hémiacétals.
En effet, lorsqu’une fonction aldéhyde quelconque réagit, sous forme hydratée avec un alcool, on obtient un acétal (dialcoylé) selon la réaction :
OH + HO – R’ O – R’
RCHO R – C – H R – C – H + 2H2O
OH + HO-R’ O – R’
Dans le cas d’un aldose, on obtient seulement un hémiacétal (monoalcoylé) selon l’équation :
OH + HO – R’ O – R’
R – CHO R – C – H R – C – H + H2O
OH OH
Si l’ose utilisé est le D-glucose et l’alcool le méthanol, on obtient deux (02) méthylglucosides différents : l’α – D-méthylglucoside de pouvoir rotatoire spécifique [α]20D = +159° et le β-D- méthylglucoside de pouvoir rotatoire spécifique [α]D20= - 34°. Ces deux méthylglucosides donnent par hydrolyse en milieu acide le D- glucose.
Ceci prouve qu’il existe un centre d’asymétrie supplémentaire dans la molécule au niveau du groupement carbonylé que la formule linéaire ne permet pas d’expliquer.
H2O
H2O
H+
H+
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C- Mutarotation
Les oses dissous dans l’eau froide n’atteignent pas tout de suite un pouvoir rotatoire fixe. On constate, pendant les premières heures qui suivent la mise en solution, que le pouvoir rotatoire varie lentement. Ce phénomène est connu sous le nom de mutarotation.
Cette constatation expérimentale ne peut s’expliquer que par l’existence de deux nouvelles formes isomères de l’ose qui aboutissent progressivement à un état d’équilibre ; ce que ne permet pas de prévoir la formule linéaire des oses. Il existe alors un centre d’asymétrie supplémentaire dans la molécule.
D- Méthylation exhaustive
Si on fait agir le sulfate de méthyle sur un aldohexose (par perméthylation ou méthylation exhaustive), comme le glucose dans sa forme hydratée, théoriquement la formule linéaire prévoit un dérivé heptaméthylé. Mais expérimentalement on obtient un dérivé pentaméthylé.
D – glucose dérivé heptaméthylé
Pour expliquer toutes ces anomalies réactionnelles, Colley en 1870 et Tollen en 1883 proposent une structure dans laquelle la fonction aldéhyde d’un aldose par exemple est partiellement dissimulée sous forme d’une fonction hémiacétalique avec l’une des fonctions alcooliques de l’ose. Il apparait alors dans la molécule un pont oxydique au niveau du carbone 1 et par conséquent un nouveau carbone asymétrique.
2.2.2- Position du pont oxydique
Plusieurs possibilités de formation du pont oxydique s’offrent entre la fonction réductrice et l’un des hydroxyles de la molécule d’ose.
Parmi les méthodes qui ont permis la détermination de la position du pont oxydique, on citera, celle de MALARADE et FLEURY qui utilise l’acide périodique, pour mémoire.
CHO
H – C – OH
HO – C – H
H – C – OH
H – C – OH
CH2OH
H
HO – C – OH
H – C – OH
HO – C –H
H – C – OH
H – C – OH
CH2OH
+ H2O
H
Met –O –C – O –Met
H – C – O – Met
Met –O –C –H
H – C – O – Met
H – C – O – Met
CH2O – Met
SO4(Met)2
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2.2.3- Représentation de la structure cyclique des oses
Elle a été proposée par HAWORTH. Dans cette structure, la chaîne carbonée et le pont oxydique sont placés dans le même plan horizontal, les groupements hydroxyles qui se trouvent à droite dans la représentation linéaire de FISCHER vont se placer en dessous du plan horizontal tandis que les groupements hydroxyles à gauche se placent au-dessus de celui-ci.
Dans cette représentation, on peut avoir un cycle oxygéné à six sommets (cycle pyranique en rapport avec le pyranne) ou un cycle oxygéné à cinq sommets (cycle furanique rappelant le furanne) : d’où les suffixes pyranose et furanose utilisés pour caractériser la structure cyclique des oses.
Exemples :
D – glucopyranose
D – glucose
4
D – fructose D – Fructofuranose
H –1C = O
H –2C – OH
HO –3C – H
H –4C – OH
H –5C – OH
6CH2OH
1CH2OH
2C = O
HO –3C – H
H –4C – OH
H –5C – OH
6CH2OH
(H,OH)
CH2OH
OH
HO
OH
1
2
3
5
CH2OH
OH
OH
CH2OH
OH
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2.2.4- Conséquences de la structure cyclique des oses
A- Nouveau système d’isomérie
La structure cyclique des oses fait apparaitre un nouveau carbone substitué asymétriquement. Il en résulte une nouvelle isomérie selon que l’hydroxyle du carbone n°1 (pour les aldoses) sera placé au-dessus ou en dessous du plan de l’hétérocycle oxygéné de la représentation de HAWORTH ; on donne le nom d’anomères à ces isomères. Ces anomères peuvent être α ou β.
Selon HUDSON, l’anomère α d’un ose de la série D est celui qui possède le pouvoir rotatoire le plus élevé ; ce qui correspond à la position « trans » de l’hydroxyle en C1 par rapport au CH2OH porté par le carbone 5 dans le cas des aldohexoses.
Dans un ose libre, il existe un équilibre entre les anomères α ou β :
[α]20°D α - D - glucopyranose : + 113°
[α] 20°D β – D - glucopyranose : + 18°7
[α] 20°D α β glucopyranose : + 52°
L’existence d’anomères α et β multiplie par deux (02) le nombre d’isomères possibles.
B- Modification des propriétés physiques et chimiques
La structure cyclique des oses bloque partiellement la fonction réductrice en fonction pseudo aldéhydique ou pseudo cétonique, ce qui explique les anomalies réactionnelles des oses (voir arguments réfutant la structure linéaire des oses).
C- Spécificité enzymatique
Les α-osidases hydrolysent les liaisons osidiques impliquant les anomères α. Les β-osidases n’hydrolysent que les liaisons osidiques impliquant les anomères β.
Applications : Cette propriété est mise à profit pour le traitement de la constipation qui utilise les fibres alimentaires riches en cellulose constituée de β-D-glucopyranose. L’être humain ne possédant pas d’équipement enzymatique pour hydrolyser les liaisons β-osidiques, il ne peut digérer la cellulose qui contribue ainsi à augmenter le volume du bol alimentaire.
2.3- Propriétés des oses
2.3.1- Propriétés physiques
Solubilité : Les oses sont très solubles dans l’eau. Par concentration, leurs solutions deviennent sirupeuses et finissent par cristalliser lentement. Leur solubilité est faible dans le méthanol.
Saveur : Elle est sucrée et variable suivant les oses.
Propriétés spectrales : Les oses absorbent dans l’infrarouge (IR). Ils possèdent chacun un spectre IR caractéristique.
Pouvoir rotatoire : Chaque ose a un pouvoir rotatoire spécifique qui le caractérise.
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Comportement chromatographique : Les oses peuvent être identifiés grâce à leur comportement chromatographique.
Thermosensibilité : Les oses sont thermodégradables.
2.3.2- Propriétés chimiques
2.3.2.1- Stabilité chimique
A- En milieu acide
La molécule d’ose subit, en milieu acide fort à chaud, une déshydratation interne avec cyclisation.
- En partant d’un pentose, on obtient le furfural selon la réaction suivante :
Furfural
Pentose
- Avec un hexose, il se forme l’hydroxyméthyl furfural.
Hexose hydroxyméthyl furfural
Application : Ces dérivés de type furfural ont la propriété de se condenser avec des phénols, des amines cycliques ou des hétérocycles azotés pour donner des matières colorantes suivant la nature de l’ose initial. Cette réaction permet de caractériser la présence des oses dans un milieu et de les quantifier par dosage.
H H
HO – C – C – OH
H – CH C – H
OH OH CHO
H H
HO – C – C – OH
H – C C – H
HOH2C OH OH CHO
H+
à chaud
CHO
HOH2C
HC CH
CH C – CHO + 3H2O
O
H+
à chaud
+ 3H2O
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Nom de la réaction
Oses mis en évidence
Réactif utilisé
Coloration obtenue
MOLISCH
Aldoses, cétoses
α-naphtol
Rouge-violacée
SELIWANOFF
Cétohexoses
Résorcinol
Rouge
DISCHE
Désoxypentoses
Diphénylamine
Bleue
BIAL
Pentoses, acides uroniques
Orcinol
Bleu-violacée
ROË
Cétoses
Anthrone
Bleu-vert
B- En milieu alcalin
A froid, les oses donnent soit une inter conversion, soit une épimérisation.
Aldose cétose
D – Erythrose Inter conversion D – Erythrulose
Epimérisation
D – Erythrose D – Thréose
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- A chaud, la dégradation de l’ose est totale.
2.3.2.2- Réduction des oses
Elle concerne la fonction carbonylée des oses et aboutit à la formation de polyalcools appelés "ositols".
La réduction des oses peut être soit enzymatique soit chimique en présence de catalyseur comme le nickel Raney, le noir de platine, le borohydrure de sodium (NaBH4). La réduction par voie chimique est irréversible.
En partant d’un aldose, on obtient un seul alcool alors qu’à partir d’un cétose on obtient deux (2) polyalcools épimères.
Applications : La réduction des oses donne des alcools qui ont des rôles importants.
- Le ribitol, alcool issu du ribose, est un constituant des acides techoïques et lipotechoïques de la paroi des bactéries Gram positif ; il rentre en outre dans la structure des coenzymes flaviniques.
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- Le mannitol, alcool issu du D-mannose ou du D-fructose est osmotiquement actif. Il est utilisé en thérapeutique humaine.
- Le sorbitol, alcool issu du D-glucose est utilisé comme un laxatif et un édulcorant.
2.3.2.3- Oxydation des oses
Les oxydants doux tels que l’iode ou le brome en milieu alcalin réalisent une oxydation de la fonction aldéhyde des oses en acides carboxyliques correspondants appelés acides aldoniques.
Exemple : Le D – glucose donne l’acide D- gluconique
Ces acides aldoniques peuvent se lactoniser (par cyclisation interne).
L’oxydation de la fonction carbonylée des aldoses peut se faire par voie enzymatique.
Applications :
- Le dosage du glucose par les méthodes enzymatiques utilise par exemple la réaction catalysée par la glucose oxydase dont le principe est le suivant :
D-Glucose + O2 + H2O Acide D-gluconique + H2O2
H2O2 + Phénol + 4-aminophénazone Quinoneimine (rose)
L’intensité de la coloration mesurée au spectrophotomètre à 500 nm est proportionnelle à la concentration en glucose.
Glucose oxydase
Peroxydase
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- Les oses peuvent être mis en évidence par des méthodes faisant intervenir leur oxydation en milieu alcalin en présence de Cu2+, Ag+ ou du ferrocyanure. Les sucres capables de réduire ces agents oxydants sont appelés sucres réducteurs. Ainsi, la liqueur de FEHLING, contenant de l’oxyde cuivrique hydratée (CuO, H2O) de couleur bleue, donne un précipité rouge brique d’oxyde cuivreux Cu2O en présence de sucre réducteur.
RCHO + 2CuO + KOH RCOOK +Cu2O + H2O
En présence d’oxydants plus énergiques, tel que l’acide nitrique, les fonctions aldéhyde et alcool primaire sont toutes deux oxydées pour donner des acides aldariques. Le D - glucose par exemple donne l’acide D – glucarique.
L’oxydation de la seule fonction alcool primaire conduit à des acides uroniques. A partir du D – glucose, on obtient par exemple l’acide D – glucuronique.
A chaud
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Applications : Les acides uroniques ont des rôles importants :
- Participation à la structure des glycosaminoglycanes (voir hétérosides)
- Formation des glucuronosides ou glucuronides (hétérosides), molécules importantes dans le processus de glucuronidation. La glucuronidation est une réaction de glucuronoconjugaison catalysée par la famille des UDP-glucuronyltransférase et qui permet la détoxication de l’organisme de certaines substances exogènes (toxiques, médicaments) et endogènes (hormones stéroïdes, produits de dégradation).
NB : L’oxydation des cétoses par l’acide nitrique concentré conduit à une coupure de la molécule avec formation d’acide formique et d’un diacide.
2.3.2.4- Formation d’esters par les acides minéraux
Les esters nitriques (avec l’acide nitrique) : sont des vasodilatateurs veineux.
Les esters sulfuriques (avec l’acide sulfurique) : participent à la structure des glycosaminoglycanes.
Les esters phosphoriques (avec l’acide phosphorique) des oses : jouent un rôle biologique non négligeable.
- Les esters nono phosphoriques
AMP cyclique
Le glucose-6-phosphate ou ester de ROBINSON est un intermédiaire du métabolisme du glucose.
L’AMPC (Adénosine mono phosphate cyclique), second messager intracellulaire, intervient dans la régulation du métabolisme chez l’Homme (modifications covalentes par phosphorylation déphosphorylation).
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- Les esters di phosphoriques
Exemple
Fructose 1, 6 – bis phosphate ou Ester de HARDEN et YOUNG
- Les esters polyphosphoriques
Exemple
Adénosine triphosphate (ATP)
L’ATP, petite monnaie d’échange énergétique est utilisée par la cellule pour plusieurs travaux :
- travail osmotique : transports actifs trans cellulaire ;
- travail mécanique : mouvements des compartiments, des cellules, des muscles… ;
- travail chimique : biosynthèses diverses ;
- travail électrique : excitations nerveuses, bioluminescence.
2.3.2.5- Action des hydrazines substituées
- A froid, la phénylhydrazine réagit avec la fonction aldéhydique seulement pour donner la phénylhydrazone de l’ose.
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- A chaud, trois molécules de phénylhydrazine sont utilisées par molécule d’ose pour former une osazone de couleur jaune.
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2.4.- Quelques oses d’intérêt biologique et leurs dérivés
2.4.1.- Aldéhyde glycolique ou glyoxal
Il intervient dans les réactions de transaldolisation. En biochimie métabolique, cette réaction de transaldolisation est décrite dans la voie des pentoses phosphate.
2.4.2.- Trioses
Le glycéraldéhyde et le dihydroxyacétone sont rencontrés surtout sous forme d’ester phosphorique : 3-phosphoglycéraldéhyde, dihydroxyacétone phosphate au cours de la glycolyse.
3-phosphoglycéraldéhyde Dihydroxyacétone phosphate
2.4.3.- Tétroses
L’érythrose a été identifié à l’état d’ester phosphorique (érythrose-4-phosphate), formé dans la voie des pentoses phosphate.
Erytrhose-4-phosptate
2.4.4.- Pentoses
Le ribose se rencontre dans les acides nucléiques et les nucléotides de toutes les cellules sous forme de -D-ribofuranose (ARN). Dans les acides nucléiques des noyaux cellulaires et
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du génome mitochondrial (ADN), on trouve le -2-désoxy-D-ribofuranose qui résulte de la substitution de l’hydroxyle du carbone n°2 par un hydrogène.
Le ribulose rencontré sous forme d’ester phosphorique (ribulose-5-phosphate), et le ribose (sous forme de ribose-5-phosphate) participent à la voie de pentoses phosphate.
2.5.- Hexoses
Le glucose est l’ose le plus répandu à l’état libre ou combiné aussi bien dans le règne animal que le règne végétal. A l’état pur, il se présente sous forme de poudre blanche très soluble
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dans l’eau. Son pouvoir rotatoire spécifique est de 52°2. Il peut être caractérisé et dosé par l’oxydation à la glucose-oxydase, réaction mise à profit en biochimie clinique pour le dosage de la glycémie, qui est en moyenne de 1 g/L chez l’adulte jeune. Le glucose est l’un des principaux aliments de la plupart des cellules. Il est utilisé dans les milieux de culture pour microorganismes ou cellules animales. Dans les cellules animales, il peut être mis en réserve sous forme de glycogène ou être transformé en lipides. Son rôle métabolique est très important. Son catabolisme aérobie conduit à la formation de 38 ATP. En anaérobie, le glucose conduit à la formation de deux molécules d’acide lactique dans le muscle sous activité intense et à l’éthanol chez la levure. Le glucose apporte en outre aux cellules les matériaux (carbone et hydrogène) nécessaires aux synthèses de nombreux composés (autres oses, lipides, stérols, …)
Le galactose est avec le glucose, un constituant du sucre du lait, le lactose. On le retrouve dans les lipides complexes du cerveau (cérébrosides) et dans les glycolipides et glycoprotéines membranaires.
Le mannose est un constituant majeur des glycoprotéines.
Le fructose existe à l’état libre dans les fruits leur donnant sa saveur sucrée. Synthétisé par les vésicules séminales, il sert d’aliment glucidique aux spermatozoïdes chez les animaux. Combiné au glucose, il donne le saccharose. Ses esters phosphoriques (fructose-6-phosphate ; fructose-1,6-bisphosphate) sont des intermédiaires de la glycolyse.
2.4.6.- Heptoses
Nous donnerons l’exemple d’un cétoheptose, le sédoheptulose. Phosphorylé en position 7, il est un intermédiaire retrouvé au cours des étapes de la voie des pentoses phosphate.
Sédoheptulose
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2.4.7.- Osamines et dérivés
Les osamines (hexosamines essentiellement) sont formés par substitution de l’hydroxyle en position 2 des oses par un groupement NH2. Ils rentrent dans la constitution des glycoprotéines et des glycosaminoglycanes.
Leurs dérivés acétylés entrent dans la composition de certaines structures :
- le N-acétyl glucosamine est un composant de la chitine de l’exosquelette des invertébrés ;
Osamines de la chitine
- l’acide N-acétylmuramique (ANAM) entre dans l’édification de la muréine des parois bactériennes et assure ainsi leur rigidité ;
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- l’acide sialique ou acide N-acétyl neuraminique est un constituant des glycoprotéines.
Acide sialique
2.4.8.- Acides uroniques
Formés par oxydation de la seule fonction alcool primaire des oses, ils interviennent dans la détoxication par glucuronoconjugaison.
2.4.9.- Acide L – ascorbique ou vitamine C
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C’est un solide cristallisé, soluble dans l’eau qui s’altère rapidement au contact de l’air par oxydation. La vitamine C est facilement synthétisée dans la plupart des espèces animales à l’exception de l’homme et a un très haut pouvoir réducteur. L’apport alimentaire est réalisé par les fruits frais et légumes verts (citron, orange) et les besoins journaliers chez l’homme sont de 300 à 500 mg. Ses rôles sont les suivants :
- effet antioxydant (lutte contre les agents du stress oxydant);
- action de cofacteur d’hydroxylation (formation du collagène);
- action activatrice sur la transcription de certains gènes.
La carence en vitamine C donne le scorbut qui se manifeste par des hémorragies multiples qui commencent en général par les gencives (en raison de la formation d’un tissu conjonctif défectueux).
3.- Osides
3.1.- Holosides
3.1.1.- Oligosides
Ils sont constitués par l’association de deux (02) à vingt (20) molécules d’oses unies par des liaisons osidiques ou glycosidiques. L’union de deux molécules d’oses peut se faire de deux façons différentes :
- par les deux fonctions réductrices ; dans ce cas, l’holoside est non réducteur,
- entre la fonction réductrice de l’un des oses et l’un des hydroxyles de l’autre ; cet holoside est réducteur car la fonction réductrice de l’un des oses est libre.
La liaison osidique est résistante aux alcalis mais facilement hydrolysable par les acides et les enzymes (osidases) ; par ailleurs, sa stéréochimie est fixe.
Les oligosides sont classés suivant le nombre de molécules d’oses qui entrent dans la constitution de leur formule en : diholosides (deux oses), triholosides (trois oses), tétraholosides (quatre oses), etc.
Un oligoside homogène donne après hydrolyse acide un seul type d’ose tandis qu’un oligoside hétérogène conduit à des oses différents.
La détermination de la structure d’un oligoside comporte les étapes suivantes :
- détermination de la nature des oses, par hydrolyse acide suivie de chromatographie couche mince et révélation par réactions colorées par exemple ;
- détermination du mode de liaison (1 4 ; 1 1 ; 1 6 ; …), par oxydation suivie d’une hydrolyse ou par méthylation suivie d’une hydrolyse par exemple ;
- détermination de la configuration anomérique ou des liaisons osidiques, par action spécifique des enzymes : -glucosidase, -glucosidase, …
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3.1.1.1.- Nomenclature des oligosides
Elle se fait de la gauche vers la droite en précisant la configuration anomérique ( ou ) et la série (D ou L) des oses impliqués dans les liaisons osidiques. Pour chaque liaison osidique, on précisera :
- le nom de l’ose de la gauche en remplaçant la terminaison « ose » par « osyl » (1er ose) ;
- le mode de liaison, c’est-à-dire le numéro du carbone porteur de la fonction hémi acétal de l’ose de gauche (1er ose) et le numéro du carbone de l’hydroxyle impliqué dans la liaison osidique, avec une flèche entre les deux numéros, le tout entre parenthèses.
Exemples : (1 4) ; (1 6) ; (1 2)
- Le nom du second ose dont la terminaison « ose » est soit:
remplacée par « osyl » lorsque sa fonction carbonylée est impliquée dans une autre liaison osidique ;
remplacée par « oside » si la fonction carbonylée participe à la liaison osidique avec le 1er ose ;
inchangée lorsque sa fonction hémiacétalique est libre.
3.1.1.2. Quelques exemples d’oligosides
A.- Diholosides non réducteurs
L’exemple le plus connu est le saccharose ou sucrose ou sucre de table extrait de la canne à sucre et de la betterave, constitué du glucose et du fructose. C’est l’-D-glucopyranosyl (1 2)--D-fructofuranoside.
La liaison osidique met en jeu les extrémités réductrices de chaque ose. La stéréochimie du fructose et du glucose est fixée définitivement. Ce diholoside n’a plus d’extrémité réductrice et ne présente donc pas le phénomène de mutarotation.
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Saccharose
L’hydrolyse chimique du saccharose se fait par chauffage en milieu acide. Son hydrolyse enzymatique peut se faire soit par une α-glucosidase (saccharase intestinale) ou soit par une β-fructosidase (invertase de la levure). On obtient une molécule de glucose et une molécule de fructose.
Un autre diholoside non réducteur est le tréhalose, formé par l’union de deux molécules de glucose par leur groupement réducteur, retrouvé dans de nombreux champignons, l’hémolymphe des insectes, la paroi de certaines bactéries (comme le bacille de Koch). C’est l’α-D-glucopyranosyl (11)-α-D–glucopyranoside.
B.- Diholosides réducteurs
Les plus importants sont des dihexoses. La liaison osidique se fait entre la fonction réductrice de l’un des oses et l’hydroxyle du deuxième ose, laissant la fonction réductrice de ce dernier libre. La stéréochimie de la liaison osidique formée est fixe mais il y a possibilité de mutarotation au niveau du carbone anomérique libre du second ose.
Le lactose : C’est le diholoside rencontré dans le lait de tous les mammifères, constitué de glucose et de galactose. La liaison osidique se fait entre la fonction hémiacétalique du -D galactose et l’hydroxyle porté par le carbone n°4 du D-glucose donnant en nomenclature systématique le -D-galactopyranosyl
35 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
(1 4) D-glucopyranose. L’hydrolyse enzymatique du lactose par la -galactosidase (lactase intestinale) donne une molécule de glucose et de galactose.
Le maltose : C’est un diholoside qui se rencontre dans quelques végétaux. Mais il est surtout issu de l’hydrolyse de polyosides (amidon, glycogène). Le maltose est formé de deux molécules de glucose unies par une liaison osidique qui se forme entre la fonction hémiacétalique d’un glucose et l’hydroxyle porté par le carbone n°4 du deuxième glucose ; il répondant au nom systématique suivant : -D-glucopyranosyl (1 4) D-glucopyranose. Son hydrolyse enzymatique se fait par une maltase spécifique appelée -glucosidase.
L’isomaltose : Issu de la digestion de l’amidon, son nom systématique est l’-D-glucopyranosyl (1 6) D-glucopyranose.
Le cellobiose : Unité de base de la cellulose, il est constitué de deux molécules de glucose unies par une liaison osidique (1 4). Son nom systématique est le -D-glucopyranosyl (1 4) D-glucopyranose. Son hydrolyse enzymatique se fait par une -glucosidase.
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Le lactulose : c’est le β-D-galactopyranosyl (14) β–D-fructofuranose, molécule osmotiquement active, utilisée comme laxatif dans le traitement de la constipation.
3.1.2.- Polyosides
Ce sont des holosides dont l’hydrolyse libère un très grand nombre de molécules d’oses (>20). Ils peuvent être linéaires (amylose) ou ramifiés (amylopectine).
3.1.2.1.- Amidon
Réserve glucidique principale du monde végétal, l’amidon joue un rôle capital dans l’alimentation de l’Homme et des animaux.
L’amidon est constitué d’environ 20% d’-amylose (longues chaînes non ramifiées d’unités glucoses réunies par des liaisons (1 4), de structure hélicoïdale), et 80% d’amylopectine comportant une chaîne principale de résidus glucose unis par des liaisons (1 4) avec des ramifications se fixant par des liaisons (1 6). L’amidon est donc un polymère de l’-D-glucose. L’hydrolyse enzymatique de l’amidon se fait par des -amylases (salivaires et pancréatiques) qui libèrent des dextrines, du glucose, du maltose.
Structure de l’amidon (A = Amylose ; B = Amylopectine)
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3.1.2.2.- Glycogène
Le glycogène est le polysaccharide de l’organisme animal appelé souvent amidon animal. Il constitue la réserve glucidique des animaux, en particulier l’homme, stocké principalement dans le foie et les muscles squelettiques.
Sa structure est beaucoup plus ramifiée que celle de l’amylopectine. Le glycogène est constitué de molécules de glucose liées entre elles par des liaisons (1 4), avec tous les 6 à 8 résidus glucose environ, des ramifications qui se branchent par des liaisons (1 6) ; ce qui donne à l’ensemble une structure arborescente.
En cas de besoin (jeûne glucidique), le glycogène est décomposé dans la cellule par le processus de glycogénolyse. Une partie du glucose libéré peut fournir de l’énergie aux cellules par le processus de la glycolyse ; une autre partie du glucose libéré par glycogénolyse peut passer dans la circulation sanguine pour le maintien de la glycémie.
Structure du glycogène
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3.1.2.3.- Inuline
C’est un polysaccharide retrouvé dans les racines de certaines plantes (aunée, chicorée, dahlia, …). L’hydrolyse enzymatique (par l’inulase) ou acide, donne du D-fructose et une petite portion de D-glucose.
L’insuline est formée essentiellement de radicaux de fructofuranose, unis par des liaisons osidiques entre l’hydroxyle semiacétalique et la fonction alcool primaire du carbone 1 de la molécule voisine. On y retrouve aussi une petite proportion de glucose impliqué dans la liaison osidique sous forme de -D-glucopyranosyl (1 2) -D-polyfructofuranoside.
L’inuline est utilisée en physiologie expérimentale pour la mesure de la vitesse de filtration glomérulaire.
3.1.2.4.- Cellulose
C’est la principale substance de soutien des parois cellulaires des plantes constituée par des liaisons (1 4). Son hydrolyse complète par les acides forts libère du glucose tandis que l’hydrolyse partielle donne du cellobiose.
Plusieurs mammifères y compris les humains ne peuvent digérer la cellulose, étant dépourvus d’une hydrolase qui attaque les liaisons . Cette propriété est mise à profit pour le traitement de la constipation (par augmentation du volume du bol alimentaire). En outre les fibres végétales ont une application industrielle : exemple des fibres de coton qui sont de la cellulose à peu près pure.
3.1.2.5.- Autres polyosides végétaux
On citera pour mémoire : les xylanes (polymères de xylose), les mannanes (polymères de mannose), les arabanes (polymères d’arabinose), les mucilages (polymères de galactose), …
3.2.- Hétérosides
Ils sont constitués d’une fraction glucidique et d’une partie non glucidique (aglycone). Dans la structure des hétérosides, l’ose est lié par son hydroxyle anomérique à un groupement fonctionnel de l’aglycone. Selon le mode de liaison de l’aglycone avec l’ose, on distingue :
- les O-hétérosides, obtenus par condensation avec une fonction OH de l’aglycone qui appartient le plus souvent au groupe des alcools, phénols et stéroïdes ;
- les S-hétérosides, formés par condensation avec un groupement thiol de l’aglycone ;
- les N-hétérosides, obtenus par condensation avec un groupement aminé le plus souvent un hétérocycle azoté.
Les hétérosides ont plusieurs rôles physiologiques.
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3.2.1.- Rôle structural
Les glycoprotéines des membranes cellulaires (concanavaline A, glycophorine par exemple) et les glycolipides membranaires (cérébrosides, gangliosides par exemple) sont des hétérosides.
Les hétérosides prennent une part importante dans la composition du tissu conjonctif :
- Les glycosaminoglycanes (GAG) ou mucopolysaccaharides (MPS) sont une succession d’unités disaccharidiques constituées d’acide uronique et d’une osamine. A pH physiologiques les groupements acide carboxylique sont sous forme de carboxylate. En outre, l’une des fonctions hydroxyle des oses peut être estérifiée avec l’acide sulfurique. Les mucopolysaccharides connus sont : l’acide hyaluronique, la chondroïtine sulfate, la dermatane sulfate, la kératane sulfate, l’héparane sulfate.
Acide hyaluronique
Chrondroïtine sulfate
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Héparine
Les MPS peuvent être isolés comme l’acide hyaluronique et l’héparine ou associés à des protéines pour former les protéoglycanes.
Les protéoglycanes sont donc des combinaisons d’une protéine avec des MPS.
Structure d’un protéoglycane
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Mode de liaison des GAG aux protéines dans les protéoglycanes
- Le collagène, protéine ancestrale la plus répandue est une glycoprotéine conférant au tissu conjonctif sa rigidité.
3.2.2.- Rôle physiologique
Certaines glycoprotéines sont des hormones (FSH, LH par exemple) ou des protéines plasmatiques (globulines) qui ont des rôles physiologiques importants.
3.2.3.- Métabolites fondamentaux
Les nucléotides des acides nucléiques sont constitués d’une base (A, G, C, T, U) unie à un sucre (ribose, désoxyribose) par une liaison N-hétéroside et du phosphore.
L’adénosine triphosphate et les autres nucléosides triphosphate constituent de petites monnaies d’énergie échangeable et utilisée pour divers travaux.
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
Biochimie médicale (P. Louisot)
Principe de biochimie (A. L. Lehninger)
Biochimie de Harper (R. K. Murray)
Biochimie dynamique (P. Borel)
Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
Biochemistry (R. A. Harvey)
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STRUCTURE DES LIPIDES
Objectifs
1. Définir les lipides et décrire leurs rôles
2. Effectuer la classification des lipides
3. Décrire la structure, la classification, les propriétés (physiques et chimiques) et les rôles des acides gras
4. Décrire la structure, les propriétés (physiques et chimiques) et les rôles des lipides suivants : glycérolipides, stérides, cérides, glycérophospholipides, sphingolipides, lipides isopréniques
5. Effectuer la classification des lipoprotéines et décrire leur structure et leur composition
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1. Généralités
Définition : Les lipides (du grec lipos, graisse) sont un groupe de composés qui ont en un commun une propriété physique ; ce sont des composés à solubilité nulle ou faible dans l’eau mais par contre élevée dans les solvants organiques (méthanol, chloroforme, cyclohexane, acétone…).
Les termes de graisses et d’huiles désignent des mélanges de lipides respectivement solides et liquides à la température ordinaire.
Un lipide est une molécule soit complètement apolaire (lipide neutre), soit bipolaire, molécule amphiphile ou amphipathique c’est-à-dire possédant une tête polaire liée à une chaîne fortement apolaire.
2. Rôles
Les rôles des lipides dans les organismes vivants sont multiples :
- Rôle constitutif de l’organisme humain : en effet, les lipides représentent environ 20% du poids corporel ;
- Rôle de réserve énergétique mobilisable : 1 g de lipides donne 9 kCal ;
- Précurseurs d’hormones stéroïdes, de médiateurs extracellulaires (prostaglandines), de messagers intracellulaires (inositol triphosphate, diacylglycérol), de vitamines liposolubles (A, D, E, K) ;
- Matériaux de structure : composants des membranes biologiques, remplissage des espaces anatomiques, isolant thermique, protection mécanique (paroi bactérienne, cuticules des feuilles brillantes, tissus adipeux des fesses) ;
- Rôle tensioactif : cas du surfactant pulmonaire constitué de lipides comme les lécithines et les sphingosines ;
- Rôle d’isolant thermique grâce au tissu adipeux sous-cutané (adipocytes bruns) chez les animaux à sang chaud des régions polaires.
3. Classification
3.1. Classification de HENNEN (1995)
Elle distingue six catégories de substances :
- triglycérides ;
- glycérophospholipides ;
- sphingolipides ;
- terpénoïdes ;
- stérols et stéroïdes ;
- acides gras.
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3.2. Classification selon les caractéristiques structurales
3.2.1. Lipides vrais
Ils résultent de la condensation d’acides gras avec des alcools ou amines par une liaison ester ou amide. Ils sont subdivisés en :
3.2.1.1. Lipides neutres ou homolipides
Encore appelés lipides simples, ils ne contiennent que de C, H, O. Ils regroupent les :
- glycérolipides ou glycérides dont l’alcool est le gycérol ;
- stérides qui ont pour alcool un stérol ;
- cérides dont l’alcool est aliphatique à longue chaîne.
3.2.1.2. Lipides complexes ou hétérolipides
En plus de C, H et O, ils contiennent du phosphore, de l’azote, du soufre ou des oses. On retrouve dans ce groupe :
- les lipides phosphorés regroupant :
les glycérophospholipides dont l’alcool est le glycérol ;
les sphingophospholipides avec comme alcool la sphingosine ;
- les lipides azotés non phosphorés qui comprennent :
les acylsphingosides (exemple des céramides) ;
les sphingoglycolipides (exemple des cérébrosides, des gangliosides) ;
- les lipides soufrés (exemple des sulfatides).
3.2.2. Lipides isopréniques ou lipoïdes ou insaponifiables
On retrouve dans cette classe, les composés à caractère lipidique, non saponifiables ou insaponifiables. Ce sont :
- les eicosanoïdes ;
- les stéroïdes ;
- les caroténoïdes ;
- la vitamine E ;
- les quinones.
3.3.3. Lipides conjugués à d’autres substances
Ce sont des agrégats moléculaires constitués de lipides et de protéines maintenus stables par des liaisons non covalentes. C’est le cas des lipoprotéines plasmatiques.
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4. Lipides vrais
Ils résultent de la condensation d’acides gras avec des alcools ou amines par des liaisons esters ou amides.
4.1. Acides gras
En règle générale ce sont des acides monocarboxyliques, à chaîne linéaire rarement ramifiée et à nombre pair d’atomes de carbone (4 à 40), pouvant être saturés ou non ou encore hydroxylés. Ils sont classés en :
- acides gras saturés à chaîne normale,
- acides gras non saturés à chaîne normale et
- acides gras atypiques (hydroxylés, ramifiés, cycliques).
4.1.1. Acides gras saturés
Ce sont les plus abondants dans les produits naturels. Ils sont de formule brute : CnH2nO2 où n est souvent pair (entre 4 et 40). Leur formule générale et R-COOH avec R un radical aliphatique hydrocarbure déterminant le caractère hydrophobe.
4.1.1.1. Nomenclature
On donne aux acides gras soit un nom trivial (commun), soit un nom systématique (chimique). L’acide gras est nommé à partir de l’hydrocarbure saturé contenant le même nombre d’atomes de carbone, l’"e" final étant remplacé par le suffixe "oïque".
Exemple : C4 : butane acide butanoïque.
Les acides gras saturés les plus fréquemment rencontrés sont :
- l’acide palmitique ou acide n-hexadécanoïque
- l’acide stéarique ou acide n-octadécanoïque
On peut utiliser le symbole Cn:0 pour désigner un acide gras saturé ; avec n le nombre d’atomes de carbone et 0 pour dire qu’il n’y a pas d’insaturation.
COOH
C16H32O2 :
COOH
C18H36O2 :
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4.1.1.2. Quelques acides gras naturels saturés
Longueur relative
Nombre de carbones
Nom systématique
Nom commun
Origine
Chaîne courte
4
n-butanoïque
acide butyrique
beurre
6
n-hexanoïque
acide caproïque
lait de chèvre
8
n-octanoïque
acide caprylique
10
n-décanoïque
acide caprique
Chaîne moyenne
12
n-dodécanoïque
acide laurique (laurier)
huile, graisses animales et végétales
14
n- tétradécanoïque
acide myristique (muscade)
16
n- hexadécanoïque
acide palmitique (palmier)
18
n-octatécanoïque
acide stéarique (suif)
Chaîne longue
20
n-eicosanoïque
acide arachidique
graines
22
n-docosanoïque
acide béhénique
24
n-tétracosanoïque
acide lignocérique
26
n-hexacosanoïque
acide cérotique
cires des plantes, bactéries, insectes
28
n-octacosanoïque
acide montanique
30
n-triacontanoïque
acide melissique
32
n-dotriacontanoïque
acide lacéroïque
4.1.2. Acides gras insaturés ou désaturés ou non saturés
Ils représentent plus de la moitié des acides gras des plantes et des animaux et répondent à la formule générale suivante : CnH2(n-x)O2 ; avec n le nombre d’atomes de carbone et x le nombre d’insaturations. Ils sont dits :
- monoéniques ou monoinsaturés s’ils possèdent une seule double liaison ;
- polyéniques ou polyinsaturés s’ils contiennent plusieurs doubles liaisons.
La chaine carbonée de la plupart des acides gras insaturés a une longueur de 16 à 20 carbones. En règle générale :
- la première ou la seule double liaison est établie entre C9 et C10 ;
- les doubles liaisons multiples ne sont pas conjuguées mais en position malonique c’est-à-dire séparées par un groupe méthylène ;
- les doubles liaisons sont de configuration Cis.
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4.1.2.1. Nomenclature
Elle respecte les règles de l’UICPA. Le nom chimique des acides gras désaturés est construit en utilisant le suffixe "énoïque" précédé d’un radical (racine) qui indique le nombre d’atomes de carbone. Le nombre de doubles liaisons est indiqué par la terminologie diène, triène….
Pour représenter schématiquement ou sous forme de symbole les acides gras insaturés, on utilise deux systèmes de nomenclature.
- Selon la nomenclature systématique qui prend pour carbone n°1 le carbone de la fonction carboxylique et donc comme n le carbone du CH3 terminal, on distingue 2 manières de désignation des acides gras désaturés :
CnΔx ou Cn : aΔx avec :
n : nombre d’atomes de carbone
x : numéro du premier atome de carbone participant à la double liaison
a : nombre de doubles liaisons
Cn : X(a) avec :
n : nombre d’atomes de carbones
X : nombre de double liaison
a : numéro du premier atome de carbone participant à la double liaison
- Selon la nomenclature utilisée en diététique qui considère le méthyle terminal (ω) comme le carbone n°1, la place de la double liaison est indiquée par le symbole ω suivi du nombre d’atomes de carbone existant jusqu’à cette double liaison.
Cn : aωx avec :
n : nombre d’atome de carbones
x : numéro du premier atome de carbone participant à la 1ère double liaison en partant de l’extrémité ω considérée comme n°1
a : nombre de doubles liaisons.
Ce dernier mode de nomenclature fait ressortir la notion de série, très courante en diététique et on distingue, les séries :
- ω3 ou linolénique avec comme exemple l’acide linolénique C18 : 3(9, 12, 15) ;
- ω6 ou linoléique : représentée par l’acide linoléique C18 : 2(9, 12) ;
- ω7 ou palmitoléique avec comme exemple l’acide palmitoléique C16 : 1(9) ;
- ω9 ou oléique représentée par l’acide oléique C18 : 1(9).
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4.1.2.2. Quelques acides gras désaturés
nC
Nom systématique
Nom courant
Symbole
Série
Répartition
16
Cis-9-hexadécénoïque
Palmitoléique
C16 : 1(9)
ω7
Très répandu
18
Cis-9-octadécénoïque
Oléique
C18 : 1(9)
ω9
Très répandu
Cis-11-octadécénoïque
Vaccénoïque
C18 : 1(11)
ω7
Bactéries
Cis, cis-9-12-octadécadiénoïque
Linoléique
C18 : 2(9, 12)
ω6
Graines
Tout cis-9-12-15-octadécatriénoïque
Linolénique
C18 : 3(9, 12, 15)
ω3
Graines
20
Tout cis-5-8-11-14-eicosatétraénoïque
Arachidonique
C20 : 4(5, 8, 11, 14)
ω6
Animaux
Tout cis-5-8-11-14-17-eicosapentaénoïque
EPA*
C2O : 5(5, 8, 11, 14, 17)
ω3
Huiles de poisson
24
Cis-15-tétracosénoïque
Nervonique
C24 : 1(15)
ω9
Cerveau
EPA* : Acide Eicosapentaénoïque.
- C18 : 1(9) représente l’acide oléique ou Cis-9-Octadécénoïque
CH – (CH2)7 – CH3
CH – (CH2)7 – COOH
- C18 : 3(9, 12, 15) représente l’acide linolénique ou tout cis-9-12-15-octadécatriénoïque
4.1.3. Acides gras atypiques
L’atypie des acides gras porte sur l’un des éléments suivants :
- les doubles liaisons : qui sont conjuguées ou en position trans ;
- le nombre d’atomes de carbone qui est impair ;
- la chaine carbonée qui est cyclique, ramifié ou hydroxylée.
COOH
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4.1.3.1. Acides gras hydroxylés
Acide ricinoléique (C18) chez les végétaux
CH3 – (CH2)5 – CH – CH2 – CH = CH– (CH2)7 – COOH
OH
Acide cérébronique (C24) chez les animaux
CH3 – (CH2)21 – CH – COOH
OH
4.1.2.2. Acides gras ramifiés
Acide tuberculostéarique (acide 10 méthyl stéarique) retrouvé dans les cires des bacilles tuberculeux ou de Koch ou Mycobacterium tuberculosis.
CH3 – (CH2)7 – CH – (CH2)8 – COOH
CH3
4.1.3.3. Acides gras hydroxylés et ramifiés
Retrouvés chez des bactéries (mycobactéries, corynébactéries), constituants de la paroi cellulaire : les acides mycoliques. Ce sont des acides gras ramifiés à très longe chaîne (chaîne principales près de 70 carbones).
4.1.3.4. Acides gras cycliques
Acide chaulmoogrique (huile des graines de chaulmoogra) dont l’ester est utilisé dans le traitement de la lèpre (maladie de HENSEN) et qui possède un cycle penténique.
Les prostaglandines, médiateurs biologiques, sont des acides gras cyclopenténiques de la famille des eicosanoïdes.
4.1.3.5. Acides gras à nombre impair d’atomes de carbone
Acide undécylénique, C11 : 1(10), de structure H2C=CH-(CH2)8-COOH
4.1.4. Rôles des acides gras
(CH2)12 – COOH
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Les principaux rôles des acides gras sont les suivants :
- nutritionnel : on distingue les acides gras essentiels (acide linoléique, acide linolénique, acide arachidonique) de ceux non essentiels ;
- énergétique : par le processus de la bêta-oxydation ;
- précurseurs d’autres composés : l’acide arachidonique est le précurseur des prostaglandines, prostacyclines, leucotriènes, thromboxane ;
- éléments de la structure des lipides.
4.1.5. Propriétés des acides gras
4.1.5.1. Propriétés physiques
a) Solubilité
Dans l’eau, la solubilité des acides gras diminue avec l’augmentation de la chaîne carbonée. La solubilité des acides gras éthyléniques est supérieure à celle des acides gras saturés. Dans l’eau, l’organisation des acides gras se fait soit sous forme de film monomoléculaire (à l’interface air-eau), soit sous forme de micelles (émulsion).
Dans les solvants organiques, la solubilité des acides gras est élevée.
b) Point de fusion
A température ordinaire, les acides gras sont à l’état liquide si le nombre d’atomes de carbone est inférieur à 10 et solide si celui-ci est supérieur à 10. De manière générale :
- la longueur de la chaîne des acides gras saturés élève la température de fusion ;
- la méthylation diminue la température du point de fusion ;
- l’insaturation de la chaîne carbonée diminue la température du point de fusion.
Exemples :
- Influence de la présence d’insaturation sur le point de fusion
C18 : 0 +69 °C
C18 : 1 +16 °C
C18 : 2 -5 °C
C18 : 3 -11 °C
- Influence de la longueur de la chaîne carbonée sur le point de fusion
C16 : 0 +63 °C
C18 : 0 +69 °C
C) Propriétés spectrales
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Les acides gras sont incolores à l’état pur. Les acides gras insaturés à doubles liaisons conjugués absorbent dans l’ultraviolet ; cette propriété peut être mise à profit pour leur dosage. Les acides gras insaturés à doubles liaisons en position malonique n’absorbent pas significativement dans l’ultraviolet.
4.1.5.2. Propriétés chimiques
A) Propriétés dues à la fonction COOH
a) Acidité libre des lipides
Dans les lipides, le groupement COOH est rarement libre. Mais dans les corps gras en dégradation, cette acidité libre est dosable : c’est l’indice d’acidité (IA) qui est la quantité en mg de potasse nécessaire pour neutraliser l’acidité libre contenue dans 1 g de matière grasse. Il permet le contrôle de qualité d’une huile comestible.
L’indice d’acidité sert de marqueur de dégradation des corps gras en contrôle de qualité alimentaire.
b) Formation de sels
Les acides gras peuvent donner des sels susceptibles de se dissocier. Les sels de métaux alcalins (Na, K) des acides gras obtenus par saponification sont des savons solubles dans l’eau dotés d’un pouvoir détersif lié à leurs propriétés moussantes, mouillantes et émulsifiantes.
Les savons dissociés dans l’eau forment des anions RCOO- qui sont amphiphiles car ont un pôle hydrophile et un pôle hydrophobe.
A la surface de l’eau, les molécules de savon s’organisent pour tourner leur pôle hydrophile vers l’eau et leur chaîne grasse vers l’extérieur. Ce remplacement de la couche superficielle d’eau par une couche monomoléculaire de savon abaisse la tension superficielle : on dit que les savons sont tensioactifs. Il en résulte que le savon permet à l’eau de mouiller les parois, et aussi de mousser.
A l’interface entre l’eau et un autre liquide non miscible à l’eau, comme l’huile, le savon s’oriente également en prolongeant son pôle hydrophile dans l’eau et son pôle hydrophobe dans l’huile. Des gouttelettes d’huile dispensées dans l’eau se trouveront ainsi stabilisées par le remplacement de la couche superficielle hydrophobe de l’huile par une couche anionique hydrophile : les savons sont dits émulsionnants pour les lipides.
A l’intérieur de la solution de savon, les molécules s’assemblent en micelle dont l’intérieur fait de chaînes hydrophobes et l’extérieur de pôles hydrophiles. Ces micelles peuvent se charger de substances non hydrophiles qui seront ainsi émulsionnées par le savon.
Le pouvoir détersif des savons résulte de toutes ces propriétés : ils mouillent la surface, déplacent les particules chargées négativement, enrobent les particules hydrophobes et les émulsionnent.
c) Formation d’esters
RCOOK RCOO- + K+
H2O
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Les esters méthyliques formés par action du méthanol en présence de catalyseur, permettent le fractionnement des acides gras par distillation ou par chromatographie.
B) Propriétés dues à la double liaison
a) Réactions d’addition
Halogénation : L’action des halogènes comme le brome, l’iode sur un acide gras monoinsaturé conduit à un dérivé dihalogéné.
Cette propriété est utilisée pour la détermination de l’indice d’iode qui se définit comme la quantité (en gramme) d’iode fixé par 100 grammes de graisse. Il permet la détermination du nombre de doubles liaisons dans un acide gras insaturé.
Hydrogénation : Les acides gras non saturés peuvent fixer de l’hydrogène en présence de catalyseur pour donner des acides gras saturés. Cette propriété est mise à profit pour la formation de la margarine, corps gras contenant des acides gras saturés, solide à température ambiante et qui ne s’oxyde pas.
b) Migration de la double liaison
Par chauffage à 180 °C pendant 1 heure en présence de potasse alcoolique, un acide gras à doubles liaisons en position malonique se transforme en son isomère à doubles liaisons conjuguées.
c) Oxydation chimique
Le traitement d’un acide gras éthylénique par un peracide organique à froid donne un époxyde.
Sous l’action d’un acide minéral à température de l’ordre de 50 °C, un acide gras insaturé donne un glycol
= CH – CH2 – CH = = CH – CH = CH2
Δ180°/KOH alcoolique, 1 H
C = C C – C époxyde
RC – O – O – H
O
O
C = C C – C – glycol
OH
OH
Br2
Br
Br
CH3 (CH2)7 – CH = CH – (CH2)7 – COOH CH3 (CH2)7 – CH – CH (CH2)7 COOH
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En présence d’un oxydant puissant comme le KMnO4, on aboutit à une coupure de la molécule avec formation de deux acides organiques (monoacide et diacide)
d) Auto-oxydation des graisses insaturées
Processus se déroulant à l’air libre, l’auto-oxydation des graisses comprend le rancissement oxydatif et la siccativité.
Le rancissement oxydatif : Les acides gras insaturés en présence de l’oxygène de l’air donnent des radicaux libres qui à leur tour forment les hydroperoxydes. Ces hydroperoxydes ont deux destinées :
- scission de la chaîne carbonée pour former des produits oxydés volatiles : aldéhydes, cétones, hydrocarbures, acides, alcool, responsable de l’odeur rance désagréable ;
- remaniement de la chaîne carbonée pour donner des oxymonomères, des oxypolymères, des étheroxydes et des époxydes.
La siccativité : qui est un processus de polymérisation des peroxydes formés. Cette propriété est mise à profit pour la fabrication des vernis.
L’auto-oxydation des graisses peut être inhibée par les agents antioxydants.
e) Oxydation biologique
Les lipides insaturés des membranes biologiques subissent une dégradation lors d’agressions oxydatives par les radiations ultraviolettes, les peroxydes, les radicaux libres.
Les oxygénations enzymatiques, par différentes oxygénases, de l’acide arachidonique conduisent aux médiateurs des familles des prostaglandines, leucotriènes et thromboxanes.
4.2. Alcools et amines constituant les lipides
4.2.1. Alcools non azotés
4.2.1.1. Glycérol
C’est un polyol dont les trois fonctions alcool sont estérifiables par les acides gras ou l’acide phosphorique.
CH3 (CH2)5 – CH = CH – (CH2)7 COOH CH3(CH2)5 COOH + HOOC – (CH2)7 COOH
KMnO4
1 α CH2 – OH
2 β CH – OH
3 α CH2 OH
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4.2.1.2. Alcools gras
Ils dérivent des acides gras par réduction de la fonction carboxyle en alcool.
4.2.1.3. Alkylglycérol ou alkyl – 1 – glycérol
Le glycérol est uni à un alcool aliphatique par une liaison éther oxyde en position α.
4.2.2. Alcools azotés
Les principaux sont :
HO – CH2 – CH2 – NH2 Ethanolamine
Serine
Choline
Sphingosine
4.2.3. Alcools cycliques
Inositol Cholestérol
CH3 (CH2)14 COOH CH3(CH2)14 CH2 OH
Acide palmitique Alcool cétylique
CH3 (CH2)14CH2 – O – CH2
CHOH
CH2OH
Alcool batylique
CH3
HO – CH2 – CH2 – N –– CH3
CH3
+
CH2 – CH – COOH
OH NH2
CH3(CH2)12 – CH = CH – CH – CH-CH2OH
OH NH2
CH – CH – CH2OH
OH NH2
HO
HO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
H
OH
OH
OH
OH
H
H
H
OH
OH
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Le cholestérol est le précurseur de tous les autres stéroïdes de l’organisme : corticostéroïdes, sexocorticoïdes, acides et sels biliaires, vitamine D.
4.3. Lipides simples ou homolipides
4.3.1. Glycérolipides
Encore appelés glycérides ou acylglycérols, ce sont des graisses neutres constituées de glycérol et d’acide gras. Le glycérol peut donner par estérification des acides gras, des monoesters (monoglycérides ou monoacylglycérols), des diesters (diglycérides ou diacylglycérols) et des triesters (triglycérides ou triacylglycérols).
Lorsque les molécules d’acides gras constituant le di ou le triester sont identiques, on parlera de diacylglycérol ou triacylglycérol homogène ; dans le cas contraire de diacylglicérol ou triacylglycérol mixte.
On remarque que le carbone C2 (β) du glycérol est chiral dans les monoglycérides, les α β– diglycérides, les diglycérides mixtes ou les triglycérides mixtes.
(1) α CH2OH
(2) β CHOH
(3) α CH2OH
CH2 – O – CO – R
CHOH
CH2OH
α – monoglycéride
α CH2OH
β CH – O – CO – R
α CH2 OH
β – monoglycéride
α CH2 – O – CO – R1
β CHOH
α CH2OH – CO – R2
α α’ – diglycéride (mixte)
CH2 – O – CO – R
CH – O – CO – R
CH2OH
α β – diacylglycérol (homogène)
CH2 – O – CO – R
CH – O – CO – R
CH2 – O – CO – R
Triacylglycérol (homogène)
CH2 – O – CO – R1
CH – O – CO – R2
CH2 – O – CO – R3
Triacylglycérol (mixte)
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4.3.1.1. Nomenclature
Elle doit permettre d’écrire la formule semi développée d’un glycéride sans ambigüité.
Pour les triacylglycérols (TAG), la nomenclature adoptée est celle du système de numérotation stéréospécifique (Sn) :
- On considère le glycérol dérivant du L-glycéraldéhyde ;
- La formule du TAG est écrite en mettant le OH secondaire à gauche en projection de FISHER ;
- On numérote le squelette du glycérol de haut en bas ;
- On décline les groupements acyles précédés du numéro du carbone du squelette du glycérol sur lequel a lieu la liaison ester suivi de Sn-glycérol.
Exemple : 1 – palmityl – 2,3 – dioléyl – Sn – glycérol
4.3.1.2. Propriétés physiques
Les triglycérides sont apolaires. Insolubles dans l’eau, ils sont solubles dans les solvants organiques. Agités dans l’eau, ils forment des émulsions très instables qui se transforment en système biphasique. Les agents tensioactifs comme les savons les dispensent et stabilisent ces émulsions où les triglycérides se mettent en suspension sous forme de micelles.
4.3.1.3. Propriétés chimiques
a) Hydrolyse acide
L’action d’un acide (H2SO4 à 5 % par exemple) sur un triacylglycérol libère ses constituants (acides gras et glycérol), mais en général de façon incomplète.
CHO
HO – C – H
CH2OH
L – glycéraldéhyde
1 CH2 OH
HO –2 C – H
3 CH2 OH
Glycérol
CH2O – CO – R1
R2 – OC– O – CH
CH2 – O – CO – R3
Triglycéride
1CH2 – O – CO – (CH2)14 – CH3
CH3 – (CH2)7 – CH = CH (CH2)7 – OC –O–2 CH
3CH2 – O – CO – (CH2)7 – CH = CH – (CH2)7 – CH3
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b) Hydrolyse enzymatique
Elle se fait par l’action des lipases qui ont différentes spécifités sur les triacylglycérol. La lipase hormonosensible hydrolyse par étapes les triacylglycérol. Les acides gras en position 1 et 3 sont d’abord libérés pour donner un 2-monoacylglycérol qui est isomérisé en 1-monoacylglycérol substrat de la lipase qui libère l’acide gras et le glycérol.
c) Saponification
Le traitement d’un triglycéride par une base (NaOH, KOH) en solution alcoolique et à chaud, donne du glycérol et des sels d’acides gras, qui sont des savons.
Cette réaction peut servir aussi à déduire un indice de saponification (Is) qui est quantité en mg de KOH nécessaire pour neutraliser l’acidité libre et saponifier 1 g de graisse. Il permet non seulement de déterminer le poids moléculaire du glycéride mais aussi de la fraction la fraction non saponifiable d’un extrait lipidique qui contient des lipides non acides et non esters.
On définit l’indice de saponification (IS) par :
Is = IA + IE
Avec IE : Indice d’ester et IA : indice d’acidité
d) Alcoolyse
Le traitement des glycérides par un alcool (méthanol ou éthanol) conduit à la libération du glycérol et des acides gras sous forme d’esters méthyliques ou éthyliques.
e) Rancissement
C’est la conséquence de l’auto-oxydation des liaisons éthyléniques des acides gras insaturés. Ce processus a été décrit plus haut.
Δ
CH2 – O – CO – R1 CH2OH R1 COOK
R2 –CO – O –CH + 3KOH CHOH + R2COOK
CH2 – O – CO – R3 CH2OH R3 COOK
Triacyl glycérol Glycérol Savon
CH2 – O – CO – C17H35 CH2OH
H35 – C17– O –CH CHOH + 3C17H2COOCH3
CH2 – O – CO – C17H35 CH2OH
3CH3OH
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4.3.1.4. Rôle biologique
Réserve alimentaire et énergétique : La plupart des eucaryotes stockent les triglycérides dans les inclusions huileuses du cytosol (graines de plantes oléagineuses, tissus adipeux des mammifères). Les triglycérides sont une réserve alimentaire et énergétique à long terme, de quelque mois, importante pour les oiseaux migrateurs, les animaux hibernants, le chameau. Le catabolisme oxydatif des triglycérides libère de l’énergie issue de la bêta-oxydation des acides gras qu’ils contiennent.
Régulation thermique : assurée par la fonction calorifère des adipocytes bruns.
4.3.2. Cérides
Ils doivent leur nom générique du fait qu’ils sont les principaux constituants des cires des animaux, végétaux et bactéries.
Les cérides sont des monoesters d’acides gras et d’alcools aliphatiques à longue chaîne qui sont en général des alcools primaires, à nombre paires de carbone, saturés et non ramifiés.
Composition : La cire des cérides est de composition variable selon son origine. Par exemple le blanc de baleine, la cire d’abeille et la cire de la paroi bactérienne n’ont pas ma même constitution.
Propriétés : Les cérides sont insolubles dans l’eau mais solubles seulement dans les solvants organiques à chaud. Ils sont inertes chimiquement car sont résistants à l’action des acides et à la plupart des réactifs et sont difficilement saponifiables.
Rôles : Les cérides sont des molécules essentielles des "revêtements", de protection des organismes vivants, qui contiennent une quantité non négligeable de cire. Les cérides sont retrouvés abondamment au niveau de la cuticule des feuilles brillantes (palmier américain…), de l’enduit imperméable des plumes d’oiseau et de la paroi résistante des bacilles.
Les cérides sont également utilisés comme base pour la fabrication de lotions, pommades, onguents, crèmes et fards en cosmétologie.
4.3.2. Stérides
Ils résultent de l’estérification d’acides gras par des stérols. Les plus représentatifs sont les esters de cholestérol retrouvés dans les lipoprotéines.
Exemple : Palmitate de cholestéryle
CH3 – (CH2)n – C – OH + HO – CH2 – (CH2)n – CH3
CH3 – (CH2)n – C – O CH2 – (CH2)n – CH3
O
O
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5. Lipides complexes ou hétérolipides
Les hétérolipides contiennent en plus des acides gras et de l’alcool, des groupes phosphate, sulfate, amine ou glucidique. Ils sont classés selon la nature de l’alcool qui estérifie les acides gras, et on distingue :
- les acylglycérols dont l’alcool est le glycérol. On retrouve dans ce groupe les :
glycérophospholipides
glycéroglycolipides
- les sphingolipides qui ont pour alcool la sphingosine
5.1. Glycérophospholipides
Ces sont les lipides les plus nombreux formés à partir du squelette d’un monoester du glycérol.
5.1.1. Structure
Ils sont constitués d’un squelette de base, l’acide phosphatidique dont le groupement phosphate est uni à un alcool par une liaison ester phosphorique. Selon la nature de l’alcool on distingue :
Cholestérol
O
O
Acide palmitique
Phosphatidyl éthanolamine (Céphaline)
O
CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – NH2
OH
CH2 – O – CO – R1
R2– OC –O – CH O
CH2 – O – P – OH
OH
O
CH2 – O – P – OH
OH
Acide phosphatidique
ou
Phosphatidyl sérine (Céphaline)
O
CH2 – O – P – O – CH2 – CH – COOH
OH
NH2
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Phosphatidyl Choline (Lécithine)
O
CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N
OH
CH3
–– CH3
CH3
+
Phosphatidyl inositol (Inositide)
O
CH2 – O – P – O
OH
Biphosphatidylglycérol
O
CH2 – O – P – CH2
O CHOH OH
CH2 – O – P – O – CH2
OH
61 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Glycérophospholipides
Alcool
Nom systématique
Nom d’usage
Tissu d’origine
Sérine
(3-Sn- phosphatidyl) Serine
Céphaline
Tissu cérébral
Ethanolamine
(3-Sn- phosphatidyl) éthanolamine
Céphaline
Tissu cérébral
Choline
(3-Sn- phosphatidyl) choline
Lécithine
Jaune d’oeuf
Inositol
1-(3-Sn- phosphatidyl) inositol
Inositide
-
Glycérol
1-(3-Sn- phosphatidyl) Sn-glycérol
-
-
Phosphatidyl glycérol
1,3 bis (3-Sn- phosphatidyl) glycérol
Cardiolipide ou cardiolipine
Myocarde
NB : Les cardiolipides sont des constituants des membranes des mitochondries des cardiomyocytes
5.1.2. Glycérophospholipides modifiés
5.1.2.1. Lysoglycérophospholipides
Ils sont obtenus par hydrolyse enzymatique des glycérophospholipides, sous l’action d’une phospholipase, de la liaison ester sur le carbone C2 conduisant à la formation de molécules amputées d’une chaîne hydrocarbonée appelées lysophosphoglycérolipides.
Rôle : Ces dérivés sont de puissants agents hémolytiques et cytolytiques, c’est-à-dire qu’ils lysent les hématies et les cellules par désorganisation des membranes lorsqu’ils y incluant. Ils sont aussi rencontrés comme intermédiaires du catabolisme des glycérophospholipides.
5.1.2.1. Dérivés étheroxydes
Ils présentent sur le carbone C1 une liaison éther-oxyde. Les plus connus sont les plasmalogènes et le platelet activating factor (PAF).
A) Plasmalogènes
Ce sont des dérivés alkényl-éthers formés avec un alcool gras vinylique (lié en position Sn1) ; le deuxième alcool lié au groupement phosphate est la choline ou l’éthanolamine. Les principaux plasmalogènes sont le plaménylcholine et le plasményléthanolamine.
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Exemple :
Plasménylcholine
Les plasmalogènes sont retrouvés dans les tissus à haute intensité respiratoire (système nerveux, muscle cardiaque), les macrophages et les cellules de la glande thyroïde. Ils pourraient protéger les membranes des cellules contre le stress oxydant ou capter les halogénures en excès comme l’iode.
B) Platelet Activating Factor (PAF)
Dans la structure du PAF, le groupement acétyle porté par le C2 est 10 fois plus court que les chaînes d’acide gras en général. Ce qui rend le PAF plus hydrosoluble qu’un glycérophospholipide classique ou un plasmalogène, favorisant sa diffusion dans le plasma.
Exemple :
PAF
Produit par les leucocytes, le PAF a plusieurs effets physiologiques : agrégation plaquettaire, contraction des fibres musculaires lisses (bronche, utérus), vasodilatateur puissant (hypotension), réaction inflammatoire (chimiotactisme des éosinophiles, neutrophiles et monocytes ; augmentation perméabilité vasculaire).
5.1.3. Propriétés chimiques des glycérophospholipides
5.1.3.1. Hydrolyse chimique
L’hydrolyse acide à chaud rompt les liaisons esters et libère les acides gras et les autres constituants du phosphoglycéride.
L’hydrolyse alcaline douce des phospholipides donne des savons (sels d’acides gras) et le glycérol-3-phosphorylalcool.
H H
CH2 – O – C = C – (CH2)13 – CH3
R2 – C – O – CH O CH3
CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N –– CH3
OH CH3
+
O
O
CH2 – O – CH2 – CH2 – (CH2)13 – CH3
CH3 – C – O – CH O CH3
CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N –– CH3
OH CH3
+
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L’hydrolyse alcaline forte libère les acides gras sous forme de savons, l’alcool qui estérifie l’acide phosphorique et le L-glycérol-3-phosphate.
5.1.3.2. Hydrolyse enzymatique
Elle est assurée par les phospholipases spécifiques des différentes liaisons esters.
- La phospholipase A1 agit sur le carbone α (carbone 1) et libère l’acide gras
- La phospholipase A2 agit sur la liaison ester du carbone β (carbone 2) et libère l’acide gras
- La phospholipase C agit sur la liaison ester du carbone α’ (carbone 3) entre le carbone α’ et l’acide phosphorique
- La phospholipase D agit entre l’acide phosphorique et la choline.
NB : Les lécithinases n’hydrolysent que les lécithines alors que les phospholipases ont une action sans distinction sur les phospholipides.
5.1.4. Propriétés physiques
Les glycérophospholipides sont des corps amphiphiles constitués d’une tête polaire ionisée (le groupement phosphoglycérol substitué) et d’une partie apolaire (les chaînes hydrocarbonées des acides gras formant la queue).
Ils sont solubles dans des mélanges de solvants organiques : chloroforme (apolaire) + méthanol (plus polaire), mais insolubles dans l’acétone. Leur solubilité dans l’eau est très limitée et ils s’organisent en micelles ou en couches (bicouche lipidique). Cette organisation joue un rôle fondamental dans la structuration des membranes biologiques.
O–
-O – P = O
ou
tête polaire
queue apolaire
Spécificité des phospholipases
O
+
O
CH2 – O – C – R1
R2 – C – O – CH O CH3
CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N –– CH3
OH CH3
D
C
A1
A2
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Ce sont des molécules tensioactives. Cette propriété est cruciale au niveau pulmonaire à la surface des alvéoles, dans les échanges gazeux. En effet, le surfactant pulmonaire, constitué de phospholipides à 90%, produit par les pneumocytes, tapisse la paroi des alvéoles pulmonaires empêchant ces dernières de collaber. Un défaut de surfactant se traduit par des troubles respiratoires.
5.2. Glycéroglycolipides
Dans leur structure, les carbones C1 et C2 du glycérol sont estérifiés par des acides gras et l’alcool du carbone C3, à la différence des phophoglycérolipides, n’est pas estérifié mais lié à un ose par une liaison glycosidique impliquant le carbone anomérique de l’ose.
Exemple :
Rares dans le règne animal, les glycéroglycolipides sont fréquents dans le règne végétal. Ils sont retrouvés dans les chloroplastes et chez certaines bactéries.
5.3. Sphingolipides
L’alcool constitutif de cette classe de lipide est la sphingosine, un diol aminé à chaîne carbonée longue de type sphingoïde.
La fixation d’un acide gras sur le groupe amine de la sphingosine donne une céramide qui est la molécule précurseur des lipides de ce groupe. La classification des sphingolipides est basée sur la nature du radical R2 lié à l’hydroxyle.
NB : Les sphingolipides entrent dans la composition des biomembranes.
1,2 diacyl [β D – glucosyl 1,3]- Sn – glycérol
CH2 –O – OC R1
R2 – CO – O – CH
CH2 – O
CH2OH
R1
NH
Base sphingoïde
OH O – R2
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Groupement R2
Noms du sphingolipide
H
Phosphate
Céramides
Céramides – 1 – phosphate
Phosphocholine
Sphingomyélines
Glucide
Ose
Oside neutre
Oside acide :
Sulfate
Acide sialique
Sphingoglycolipides
Cérébrosides
Sphingoglycolipides neutres
Sphingoglycolipides acides
Sulfosphingoglycolipides
Sialosphingoglycolipides (gangliosides)
La figure suivante résume la formation des sphingolipides à partir de la sphingosine.
Les sphingolipides sont des lipides dont l’acide gras est lié à une base azotée à longue chaîne (18 - 20 carbones en général) par une liaison amide. La base à longue chaîne peut être insaturée (sphingosine) ou saturée (dihydrosphingosine ou sphingamine).
Un céramide est l’amide d’une sphingosine et d’un acide gras ; cet acide gras est le plus souvent à très longue chaîne (supérieure à 20 carbones).
Un sphingophospholipide est un céramide estérifié par un phosphoalcool comme la phosphorylcholine.
Oses
Oligosides
Sphingosine
Céramide
Acides gras
Sphingophospholipides
Phosphoalcool
Sphingoglycolipides
- Cérébrosides
- Globosides
- Gangliosides
- Sulfatides
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Un cérébroside est un céramide dont la fonction alcool lie un ose ou plusieurs oses. La liaison entre le céramide et l’ose est de type bêta-osidique.
Un globoside est un céramide dont la fonction alcool lie un chaînon oligosaccharidique neutre formé d’oses en petit nombre (de 1 à 6). Les oses souvent retrouvés dans la structure des globosides sont le galactose, le glucose, le N-acétylgalactosamine.
Un sulfatide est un cérébroside dont un ose est estérifié par l’acide sulfurique (portant un groupement sulfate).
Un ganglioside est un cérébroside dont le chaînon oligosaccharidique se termine par un ou plusieurs résidus d’acide sialique (NANA). La nomenclature des gangliosides est représentée par deux lettres et un chiffre. La première lettre G pour désigner « ganglioside » ; la deuxième lettre M, D, T ou Q selon qu’il existe 1, 2, 3 ou 4 résidus d’acide sialique dans l’oligosaccharide ; le chiffre 3, 2, ou 1 selon qu’il y a 2, 3 ou 4 résidus d’oses dans la chaîne à l’exception des acides sialiques.
6. Lipides isopréniques
6. Lipides isopréniques
Ce sont des composés naturels dépourvus d’acides gras, trait commun des lipides vrais, mais qui leurs sont apparentés par leurs propriétés physiques et en particulier leur solubilité. Ils sont encore appelés composés à caractère lipidique ou lipoïdes ou insaponifiables.
6.1. Eicosanoïdes
Les eicosanoïdes regroupent les prostaglandines, les prostacyclines, les leucotriènes et le thromboxane qui dérivent de l’acide arachidonique par fermeture oxydative d’un cycle penténique dans la zone médiane de la chaîne.
Ganglioside M2 (GM2) Galactocérébroside
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Sous l’action de la phopholipase A2, les phospholipides membranaires libèrent l’acide arachidonique et les lysoglycérophospholipides. L’acide arachidonique est le substrat des enzymes permettant la formation des eicosanoïdes selon le schéma suivant.
Synthèse des eicosanoïdes
L’acide prostanoïque est leur précurseur commun des eicosanoïdes.
Acide arachidonique Acide prostanoïque
Prostaglandines, prostacyclines, leucotriènes et throboxane sont des médiateurs à action extracellulaires qui interviennent dans des processus variées : facteurs d’adhérence, agrégation plaquettaire, perméabilité vasculaire, intermédiaire de la réaction inflammatoire, allergie, action sur le muscle lisse, signalisation intercellulaire.
6.2. Stéroïdes
Leur structure de base est un noyau polycyclique, le stérane ou cyclopentanoperhydro phénanthrène.
COOH
COOH
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Les stéroïdes naturels sont répartis en quatre (4) séries : les stérols, les acides et sels biliaires, les stéroïdes hormonaux et les vitamines D.
6.2.1. Stérols
Ils ont été abordés plus haut dans le sous chapitre des stérides. On retrouve dans ce groupe :
- Les stérols animaux dont le plus important est le cholestérol de formule :
Cholestérol
Le cholestérol joue des rôles importants. En effet, il entre dans la composition des membranes biologiques déterminant leur fluidité ; il est le précurseur des acides biliaires, des hormones stéroïdes et de la vitamine D3.
D’autres stérols animaux moins abondants sont : le coprostérol, le 7-dehydrocholestérol et le lanostérol.
- Les stérols végétaux ou phytostérols dont les plus répandus sont : l’ergostérol (précurseur de la vitamine D2), le stigmastérol (prépondérant dans la graine de soja), le fucostérol (abondant dans les algues brunes), le zymostérol (isolé pour la première fois dans la levure de bière).
Ergostérol
6.2.2. Acides et sels biliaires
Synthétisés par le foie et concentrés dans la bile, les sels biliaires ont deux fonctions : l’émulsification des lipides permettant leur digestion enzymatique dans l’intestin par la lipase pancréatique, et l’élimination du cholestérol.
Ce sont des sels d’acides biliaires provenant du cholestérol et éliminés sous forme conjuguée avec un acide aminé (par une liaison amide), la glycine (c’est la glycoconjugaison) ou la taurine (c’est la tauroconjugaison). Les sels de sodium sont appelés sels biliaires.
A
B
C
D
HO
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Les acides biliaires ont en commun le noyau cholane et les principaux sont :
L’acide cholique et l’acide chénodésoxycholique sont des acides biliaires primaires car produits par le foie, alors que les acides désoxycholique et lithocholique et sont dits acides biliaires secondaires parce qu’ils sont issus de la modification dans l’intestin des acides biliaires primaires.
6.2.3. Stéroïdes hormonaux
Ils sont présents aussi bien chez les animaux que chez les végétaux et sont des molécules informatives, qui régulent le métabolisme ou jouent le rôle de médiateurs cellulaires. Chez les mammifères, les stéroïdes hormonaux ont une origine sexuelle (gonade) ou surrénalienne.
Les corticosurrénales produisent :
- les minéralocorticoïdes (dans la zone glomérulée), dont le chef de file est l’aldostérone, qui contrôlent l’équilibre hydrominéral ;
- les glucocorticoïdes (dans la zone fasciculée) jouent un rôle la régulation du métabolisme glucidique, lipidique et protéique ;
- les androgènes surrénaliens (dans la zone réticulée), dont le chef de file est le dehydroépiandostérone, qui contrôlent les caractères sexuels secondaires.
Les gonades (testicule, ovaire) et le placenta secrètent les androgènes, les progestagènes et les oestrogènes.
Acide chénodésoxycholique
COOH
HO
OH
Acide lithocholique
COOH
HO
Acide désoxycholique
COOH
HO
OH
OH
Acide cholique
COOH
HO
OH
24
cholane
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Les stéroïdes hormonaux dérivent tous du cholestérol par réaction de coupure de la chaîne latérale ou par hydroxylation et oxydation. Ils sont classés en trois groupes selon le nom générique de leurs métabolites hormonaux :
- le noyau prégnane, à 21 atomes de carbone, précurseur de la progestérone, des minéralocorticoïdes et des glucocorticoïdes ;
- le noyau androstane, à 19 carbones, précurseur de la testostérone ;
- le noyau oestrane à 18 carbones, dont dérive l’oestradiol.
Les stéroïdes hormonaux sont liposolubles, transportés par des protéines plasmatiques spécifiques, et sont lipophiles (traversent les membranes pour atteindre leurs récepteurs intracellulaires).
OEstradiol Testostérone
Progestérone Cortisol
A
B
C
D
18
OEstrane
19
18
Androstane
Prégnane
19
18
20
21
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Aldostérone
NB : Chez les insectes, on retrouve les ecdysones comme hormones stéroïdes.
6.2.4. Vitamines D
Elles sont indispensables à la minéralisation du tissu osseux par leur intervention dans le métabolisme phosphocalcique en favorisant l’absorption intestinale de calcium.
Ce sont des stérols di insaturés (5 et 7) où le cycle B est rompu par coupure de la liaison 9 – 10 par une réaction photochimique (UV).
Les deux substances naturelles abondantes que l’on trouve sont :
- la vitamine D2 ou ergocalciférol formée à partir de l’ergostérol des végétaux ;
- la vitamine D3 ou cholécalciférol formée à partir du 7-dehydrocholestérol.
Vitamine D2 (ergocalciférol)
Vitamine D3 (cholécalciférol)
6.3. Caroténoïdes
Ce sont des tétraterpènes (C40), formés de deux moitiés de diterpènes, dont les différentes structures sont classées en : carotènes (résultants de saturations, déshydrogénation, cyclisations) et xanthophiles (qui sont des dérivés oxydés).
HO
HO
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6.3.1. Carotènes
Ils contiennent un grand nombre de doubles liaisons conjuguées, ce qui leur confère une coloration allant du jaune au rouge.
Les carotènes α et β (pigments de la carotte) sont cyclisées aux deux extrémités alors que le carotène γ n’a qu’un seul cycle.
Le lycopène est une forme acyclique des carotènes qui colore la tomate, l’abricot, le paprika.
Les carotènes sont pour les animaux des précurseurs de la vitamine A ou rétinol. En effet, les carotènes se scindent pour donner le rétinal ou aldéhyde de la vitamine A1 qui, par réduction, donne le rétinol (Vitamine A). L’oxydation du rétinal et du rétinol donne l’acide rétinoïque. Le rétinal est le groupement prosthétique de la rhodopsine ou pourpre rétinien des cellules à bâtonnets, une chromoprotéine.
La vitamine A joue plusieurs rôles :
- le rétinol assure la croissance et la protection des tissus épithéliaux ;
- l’acide rétinoïque intervient dans la modulation de la croissance cellulaire ;
- le rétinal est un acteur de la vision crépusculaire : Le rétinal se lie à l’opsine, une protéine de la rétine pour donner le pigment visuel appelé rhodopsine. Sous l’action de la lumière, la rhodopsine est scindée en opsine et rétinol qui est réxoydé en rétinal, avec génération d’un influx nerveux.
6.3.2. Xanthophylles
Ils forment la famille des chromophores des plantes, pigments annexes des chlorophylles dans la photosynthèse. Ils entrent aussi dans la composition des lipides membranaires de certaines archéobactéries.
6.4. Vitamines E
Encore appelée tocophérol, la vitamine E est susceptible d’être transformée par scission hydrolytique en hydroquinones, ce qui explique sa propriété antioxydante.
α-tocophérol hydroquinone quinone
La vitamine E protège les acides gras polyinsaturés essentiels, les acides gras des membranes biologiques et des lipoprotéines contre la lipoperoxydation : on dit que la vitamine E piège les radicaux libres.
6.5. Quinones
On retrouve dans ce groupe :
- les ubiquinones : transporteurs d’électrons, ils sont retrouvés sur la chaîne respiratoire mitochondriale ;
- les plastoquinones : transporteurs d’électrons dans la chaîne d’oxydoréduction photosynthétique et retrouvés au niveau des membranes de chloroplastes ;
H2O
-H2
+H2
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- les naphtoquinones ou vitamines K qui regroupent :
la vitamines K1 ou phylloquinone ;
la vitamine K2 ou ménaquinone.
La phylloquinone est transformée en ménaquinone dans le foie, forme active de la vitamine K. La vitamine K est un cofacteur de carboxylation des résidus γ-glutamique en γ- carboxyglutamique des protéines sériques et de l’os. Cette carboxylation est nécessaire pour l’activation d’un facteur sérique permettant la synthèse de la prothrombine, un élément dit indispensable à la coagulation sanguine. Ceci explique l’action antihémorragique de la vitamine K.
7. Lipides conjugués à d’autres substances : les lipoprotéines
Ce sont des associations entre des protéines spécifiques et les lipides par des liaisons non covalentes : interaction hydrophobes entre les portions non polaires intervenant dans la constitution des lipides et des protéines. On distingue les :
- chylomicrons ;
- VLDL (Very Low Density Lipoproteins) ou lipoprotéines de très faible densité;
- LDL (Low Density Lipoproteins) ou lipoprotéines de faible densité ;
- HDL (High Density Lipoproteins) ou lipoprotéines de haute densité ;
- IDL (Intermediary Density Lipoproteins) ou lipoprotéines de densité intermédiaire;
- lipoprotéines a ou Lp(a).
Les chylomicrons, plus riches en lipides, sont plus légers et les HDL, plus riches protéines, sont plus lourds.
7.1. Structure des lipoprotéines
Insolubles dans l’eau, les lipides sont véhiculés dans le plasma associés à des protéines formant ainsi des lipoprotéines de structures globulaire. Les lipoprotéines comportent un coeur hydrophobe et une périphérie hydrophile. On distingue deux parties dans les lipoprotéines : une partie lipidique et une partie protéique.
Structure d’une lipoprotéine plasmatique
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7.1.1. Partie lipidique
Elle est constituée de cholestérol, de triglycérides et des phospholipides.
7.1.1.1. Cholestérol
Le cholestérol plasmatique a trois (03) origines : synthèse endogène par toutes les cellules de l’organisme (80%), alimentation et bile (20%). Il est présent à l’intérieur de la lipoprotéine sous forme estérifiée et en périphérie sous forme libre.
7.1.1.2. Triglycérides
Ce sont des molécules de triacylglycérol estérifiées par trois molécules d’acide gras. Ils sont neutres, hydrophobes et présents au centre des lipoprotéines.
7.1.1.3. Phospholipides
Ils comportent une partie hydrophobe tournée vers le centre de la lipoprotéine et une partie hydrophile tournée vers l’extérieur.
7.1.2. Partie protéique
Encore appelée apoprotéine ou apolipoprotéine, elle représente la partie "intelligente" des lipoprotéines.
Les apoprotéines jouent un rôle dans la structure des lipoprotéines, le transport plasmatique des lipides, la reconnaissance tissulaire par liaison à des récepteurs cellulaires spécifiques et la modulation de l’action des enzymes du métabolisme des lipoprotéines.
Les principales apoprotéines sont :
7.1.2.1. Apoprotéine A1 ou (Apo A1)
Quantitativement plus importante, elle est activatrice de la lécithine cholestérol acyle transférase (LCAT) qui estérifie le cholestérol. Par fixation aux récepteurs hépatiques, elle participe au retour du cholestérol vers le foie ; ce qui lui vaut d’être considérée comme un facteur protecteur contre les maladies cardiovasculaires.
7.1.2.2. Apoprotéine B (ApoB)
Elle existe sous deux formes : l’Apo B48 et l’Apo B100.
L’apoprotéine B48 est synthétisée par les cellules intestinales et a un rôle structural des chylomicrons.
L’apoprotéine B100 est synthétisée par le foie. Elle a un rôle structural mais est capable de se fixer à d’autres récepteurs spécifiques aux Apo B/E présents au niveau des hépatocytes et des tissus extra hépatiques ; ce qui favorise le dépôt de cholestérol faisant de cette apoprotéine un facteur de risque cardiovasculaire.
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7.1.2.3. Apoprotéine C (Apo C)
Elle est moins connue mais a trois isoformes C1, C2 et C3. Les Apo C1 et C2 sont des cofacteurs respectivement de la LCAT et de la lipoprotéine lipase (LPL), alors que l’Apo C3 est inhibitrice de l’activité de la LPL.
7.1.2.4. Apoprotéine E (Apo E)
Elle existe sous plusieurs isoformes. Elle permet la liaison des lipoprotéines qui la contiennent à des récepteurs spécifiques B/E.
7.2. Composition des lipoprotéines
Les chylomicrons sont plus riches en lipides alors que les HDL sont riches en protéines. Le tableau suivant présente la composition des lipoprotéines en pourcentage de masse totale.
Constituants
Lipoprotéines
Chylomicrons
VLDL
LDL
HDL
Protéines
1 - 2
6 - 10
18 - 22
45 - 55
Lipides
98 - 99
90 - 94
78 - 82
45 - 65
Triglycérides
85 - 95
50 - 65
4 - 8
2 - 7
Cholestérol estérifié
2 - 4
16 - 22
45 -50
15 -20
Cholestérol libre
1 - 3
4 - 8
6 - 8
3 - 5
Phospholipides
3 - 6
15 - 20
18 - 24
26 - 32
7.3. Classification des lipoprotéines
Deux critères sont principalement utilisés pour classifier les lipoprotéines plasmatiques : la mobilité électrophorétique et la densité hydratée.
7.3.1. Mobilité électrophorétique
C’est la classification la plus usitée et elle dépend du support utilisé. Sur papier, acétate de cellulose ou agarose, quatre fractions peuvent être identifiées :
- les lipoprotéines restant à l’origine : ce sont les chylomicrons ;
- les lipoprotéines migrant en position des β-globulines : ce sont les β lipoprotéines qui correspondent aux LDL ;
76 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
- les lipoprotéines migrant au niveau des α2-globulines : ce sont le pré β lipoprotéines qui correspondent aux VLDL ;
- les lipoprotéines migrant au niveau des α1-globulines : ce sont les α lipoprotéines correspondant aux HDL.
Le lipidogramme suivant en fait l’illustration.
HDL LDL
VLDL
Chylomicrons
α pré β β Dépôt
Lipidogramme
7.3.2. Densité hydratée
Elle utilise la technique d’ultra centrifugation de flottaison permettant de classer les lipoprotéines plasmatiques selon leur densité. On distingue les :
- chylomicrons : densité < 0,95 g/mL
- VLDL : densité de 0,95 à 1,006 g/mL
- IDL : densité de 1,006 à 1,019 g/mL
- LDL : densité de 1,019 à 1,063 g/mL
- HDL : densité de 1,063 à 1,210 g/mL
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Biochimie médicale (P. Louisot)
- Principe de biochimie (A. L. Lehninger)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie dynamique (P. Borel)
- Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
- Biochimie humaine (F. Horn)
- Biochemistry (R. A. Harvey)
77 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
STRUCTURE DES ACIDES AMINÉS, PEPTIDES ET PROTÉINES
Objectifs
1. Définir les acides aminés et décrire leurs rôles
2. Effectuer la classification des acides aminés en les nommant
3. Ecrire la structure des 22 aminoacides protéinogènes
4. Décrire les propriétés physiques et chimiques des acides aminés
5. Définir les peptides et citer leurs rôles
6. Nommer les peptides et décrire la liaison peptidique
7. Ecrire la structure d’un oligopeptide
8. Déterminer la séquence d’un oligopeptide
9. Décrire la structure de quelques peptides d’importance biologique
10. Définir les protéines et décrire leurs rôles
11. Effectuer la classification des protéines
12. Décrire les structures primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire des protéines
13. Expliquer la dénaturation des protéines
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1. Acides aminés
1.1. Définition
Les acides aminés sont des composés organiques comportant à la fois une fonction acide carboxylique et une fonction amine primaire.
Les acides aminés naturels ont la fonction amine et la fonction carboxyle portées par le même carbone, le carbone α par rapport à la fonction carboxylique : ce sont les acides α-aminés.
1.2. Rôles
Les acides aminés jouent des rôles variés.
- Ils participent à la synthèse protéique
- Ce sont des neuromédiateurs
o Excitateurs : cas de l’acide aspartique et de l’acide glutamique
o Inhibiteurs : cas de la glycine
- Ils sont précurseurs de plusieurs substances
o Glucides par la néoglucogenèse à partir des acides aminés glucoformateurs
o Hormones thyroïdiennes : à partir de la tyrosine
o Neuromédiateurs : GABA, catécholamines
o Pigments : mélanine
o Porphyrines : à partir de la glycine
o Histamine : à partir de l’histidine
o Créatine : à partir de la glycine et de l’arginine
1.3. Nomenclature
Les acides aminés ont des noms usuels terminés par le suffixe « ine » pour la plupart. La nomenclature des acides aminés utilise des lettres.
- Soit trois lettres retrouvées dans le nom usuel de l’acide aminé
Exemples : Alanine (Ala) ; Glycine (Gly) ; Tryptophane (Trp)
- Soit un symbole à une lettre
Exemples : Alanine (A) ; Glycine (G) ; Tryptophane (W)
1.4. Classification
Plus de 300 aminoacides (AA) naturels sont connus à nos jours ; seuls 22 aminoacides participent à la synthèse protéique et sont appelés de ce fait acides aminés protéinogènes. Vingt (20) acides aminés sont standards, retrouvés dans les protéines de tous les organismes vivants. Deux acides aminés participent à la synthèse protéique chez quelques microorganismes ; il s’agit de la Selenocystéine (Sec) 21ème aminoacide découvert et la Pyrrolysine (Pyl), 22ème aminoacide.
H α
(R – C – COOH)
NH2
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Nous insisterons sur deux classification des 20 AA dans ce chapitre : selon la structure et la complexité de la chaîne latérale et celle qui prend en compte leur importance nutritionnelle.
1.4.1. Selon la structure et la complexité de la chaîne latérale
1.4.1.1. Acides aminés naturels
Ils sont classés en trois groupes :
1er groupe : acides aminés dont le radical R est apolaire ;
2ème groupe : acides aminés dont le radical R est polaire non ionisable;
3ème groupe : acides aminés dont le radical R est ionisable.
A. Acides aminés à radical R apolaire
a. Acides aminés aliphatiques
1. La glycine ou glycocolle
Ici, le radical R est H. Son symbole est Gly ou G
2. L’alanine (Ala) : A
3. La valine (Val) : V
4. La leucine (Leu) : L
5. L’isoleucine (Ile) : I
6. La méthionine (Met) : M
H – CH – COOH
NH2
NH2
H3C – CH – CH2 – CH – COOH
H3C
H3C – CH – COOH
NH2
H3C – CH – CH – COOH
NH2
H3C
NH2
C H3 – CH2 – CH – CH – COOH
H3C
CH3 – S – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
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b. Les acides animés cycliques
7. La phénylalanine (Phe) : F
8. La proline (Pro) : P
9. Le tryptophane (Trp) : W
H
B. Acides aminés à radical R polaire
a. Acides aminés hydroxylés
10. La tyrosine (Tyr) : Y
11. La sérine (Ser) : S
12. La thréonine (Thr) : T
N
CH2 – CH – COOH
NH2
HO – CH2 – CH – COOH
NH2
CH3 – CH – CH – COOH
NH2
OH
N
H
COOH
HO CH2 – CH – COOH
NH2
CH2 – CH – COOH
NH2
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b. Acides aminés soufrés
13. La cystéine (Cys) : C
La cystéine renferme un groupement thiol ou mercaptan qui joue un rôle important dans l’activité de certaines enzymes. Elle s’oxyde en se condensant avec une molécule de cystéine pour donner la cystine.
c. Acides aminés amides
14. L’asparagine (Asn) : N
C’est l’amide dérivant de l’acide aspartique.
15. La glutamine (Gln) : Q
C’est l’amide qui dérive de l’acide glutamique. Elle représente la forme de transport de l’ammoniac dans le sang.
C. Acides aminés à radical R ionisable
Il peut s’agir d’un second carboxyle ou d’un groupement à caractère basique (amine, guanidyle, imidazole).
a. Acides aminés acides
16. L’acide aspartique (Asp) : D
17. L’acide glutamique (Glu) : E
HS – CH2 – CH – COOH
NH2
HOOC – CH2 – CH – COOH
NH2
HOOC – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
H2N – C – CH2 – CH – COOH
NH2
O
H2N – C – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
O
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b. Acides aminés basiques
Ils sont à six atomes de carbone.
18. La lysine (Lys) : K
19. L’arginine (Arg) : R
Il possède un groupement guanidyle et joue un rôle important dans le cycle de l’urée.
20. L’histidine (His) : H
Il renferme un noyau imidazole.
1.4.1.2. Acides aminés rares ou occasionnels
1. L’hydroxyproline
2. L’hydroxylysine
3. La β-alanine
H2N – CH2 – CH2 – COOH
4. L’acide γ-aminobutyrique (GABA)
H2N – CH2 – CH2 – CH2 – COOH
C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
NH
H2N
CH2 – CH – COOH
NH2
N
N - H
N
H
COOH
HO
H2N – CH2 – CH – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
OH
H2N – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH
NH2
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5. La dihydroxy phénylalanine
1.4.2. Selon l’importance nutritionnelle
Cette classification distingue :
- Les acides aminés essentiels ou indispensables. Ainsi appelés car indispensables à la nutrition des animaux supérieurs en particulier l’Homme qui ne peuvent les synthétiser. Ce sont : la lysine, la leucine, la thréonine, le tryptophane, la phénylalanine, la valine, la méthionine et l’isoleucine.
NB : L’histidine et l’arginine sont indispensables à l’enfant de moins de dix ans. Au-delà de cet âge, ces acides aminés ne sont plus indispensables chez l’homme.
- Les acides aminés semi-essentiels : c’est le cas de la cystéine et de la tyrosine qui peuvent être synthétisés respectivement à partir de la méthionine et de la phénylalanine
- Les acides aminés non essentiels qui regroupent le reste des aminoacides standards.
Le tableau suivant fait la liste des acides aminés intervenant dans la synthèse protéique.
HO
CH2 – CH – COOH
NH2
HO
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Tableau : Liste des 20 aminoacides standards
Aminoacides
Abrévia-tion à 3 lettres
Symbolisation par une lettre
Poids moléculaire
pKa α COOH
pKa α NH2
pKa R
pH isoélectrique
Alanine
Ala
A
89
2,35
9,69
6,02
Arginine
Arg
R
174
2,17
9,04
12,48
10,80
Asparagine
Asn
N
132
2,02
8,80
5,41
Acide aspartique
Asp
D
133
2,09
9,82
3,86
3,00
Cystéine
Cys
C
121
1,71
10,78
8,33
5,02
Glutamine
Gln
Q
146
2,17
9,13
5,65
Acide glutamique
Glu
E
147
2,19
9,67
4,25
3,20
Glycine
Gly
G
75
2,34
9,60
5,97
Histidine
His
H
154
1,82
9,17
6,00
7,59
Isoleucine
Ile
I
131
2,36
9,68
6,02
Leucine
Leu
L
131
2,36
9,60
5,98
Lysine
Lys
K
146
3,18
8,95
10,53
9,80
Méthionine
Met
M
149
2,28
9,21
5,75
Phénylalanine
Phe
F
165
1,83
9,13
5,48
Proline
Pro
P
115
1,99
10,60
6,30
Sérine
Ser
S
105
2,21
9,15
5,68
Thréonine
Thr
T
119
2,63
10,43
6,53
Tryptophane
Trp
W
204
2,38
9,37
5,88
Tyrosine
Tyr
Y
181
2,20
9,11
10,07
5,65
Valine
Val
V
117
2,32
9,62
5,97
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1.5. Propriétés des α-aminoacides
1.5.1. Propriétés physiques
1.5.1.1. Solubilité
Dans l’eau, la solubilité des acides aminés dépend de plusieurs facteurs :
- nature du radical R, en particulier sa taille et sa polarité ;
- pH de la solution ; la solubilité étant minimale au pH isoélectrique ;
- nature et concentration des ions présents dans la solution.
Dans les solvants organiques, la solubilité des acides aminés est faible. Cette propriété est mise à profit dans les techniques de chromatographie de partage.
1.5.1.2. Isomérie optique
Tous les α-aminoacides, à l’exception de la glycine, ont leur carbone α qui est asymétrique. Certains acides aminés en possèdent deux ; il s’agit de la thréonine, l’isoleucine et l’hydroxylysine. La présence de ces carbones asymétriques détermine l’isomérie optique des acides α-aminés. Sont de la série L, le acides α-aminés ayant le groupement –NH2 à gauche dans la représentation de FISCHER.
COOH COOH
H2N C H H C NH2
R R
L D
Représentation de FISCHER de deux acides aminés isomères optiques
NB : Chez l’homme, tous les acides aminés sont de la série L (NH2 à gauche selon FISCHER) et seules les enzymes de la série L seront actives. On retrouve par contre les acides aminés de la série D chez les bactéries et les plantes.
1.5.1.3. Propriétés spectrales
A. Absorption
Tous les acides aminés ont une absorption importante dans l’ultraviolet (UV) à 230 nm. La Phénylalanine, la tyrosine et le Tryptophane absorbent spécifiquement la lumière UV à 260 nm, 275 nm et 280 nm respectivement. Cette propriété est utilisée pour le dosage des protéines par spectrophotométrie.
B. Fluorescence
Lorsque les acides aminés sont excités à leur longueur d’onde d’absorption maximale, le retour à l’état initial s’accompagne d’une émission de fluorescence de longueur d’onde caractéristique de chaque acide aminé. Ainsi, la tyrosine et le tryptophane émettent des fluorescences maximales à 300 nm et 340 nm respectivement.
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1.5.2. Propriétés chimiques
1.5.2.1. Ionisation
A. Notions préliminaires
AH + H2O A- + H3O+
[A-][H3O+] Ka[AH]
Ka = [H3O+] =
[AH] [A-]
[A-]
pH = pka + log
[AH] RELATION DE HENDERSON-HASSELBALCH
B. Groupements ionisables de tous les acides aminés
- Le groupement carboxyle d’un aminoacide peut céder un proton
RCOOH + H2O RCOO- + H3O+
- Le groupement aminé peut fixer un proton
RNH2 + H+ RNH3+
Les deux constantes de dissociation peuvent s’écrire :
K1 =
K2 =
En solution aqueuse on peut avoir les formes suivantes :
R-CH-COOH R-CH-COO- R-CH-COO-
NH3+ NH3+ NH2
[RCOO-] [H3O+]
[RCOOH]
[RNH2] [H+]
[RNH3+]
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Lorsqu’on fait passer une solution d’un aminoacide d’un pH bas à un pH élevé, les transformations suivantes sont observées :
R-CH-COOH R-CH-COO- R-CH-COO-
NH3+ NH3+ NH2
Cation (à pH 1) Zwitterion (pH 7) Anion (à pH 11)
Charge nette = (+1) Charge nette = (0) Charge nette = (-1)
A+ A± A-
L’étude des spectres d’absorption a montré qu’en solution aqueuse, un acide aminé est essentiellement sous forme d’ion mixte dipolaire et dans d’autres conditions les proportions des 3 formes ionisées dépendent du pH.
C. Applications de l’ionisation des acides aminés
a. pH isoionique
On appelle pH isoélectrique ou isoionique (pHi), le pH pour lequel la charge de l’acide aminé est nulle, c’est-à-dire le pH où la forme zwitterion est majoritaire. Ceci correspond au point d’équivalence des deux dissociations.
Cas des acides aminés neutres
NB : Les acides aminés neutres ont un pHi autour de 6
Cas des acides aminés acides
pHi = ½ (pK1 + pK3)
Cas acides aminés basiques
pHi = ½ (pK2 + pK3)
Avec pK1, pK2 et pK3 les pK qui entourent la forme zwitterion.
b. Séparation électrophorétique des acides aminés
L’électrophorèse est la séparation des particules chargées sous l’influence d’un champ électrique. La charge globale d’un acide aminé dépend du pH de la solution dans laquelle il est dissout. Cette propriété est mise à profit pour la séparation électrophorétique des acides aminés. Si le pH du tampon de migration est inférieur au pHi de l’acide aminé, sa charge globale est positive et il a une migration cathodique (pole négatif). Lorsque le pH du tampon de migration est supérieur au pHi de l’acide aminé, sa charge globale est négative et il a une migration anodique (pole positif). Si le pH du tampon de migration est égal au pHi de l’acide aminé correspondant, la charge globale de l’acide aminé est nulle ; par conséquent il n’a pas de migration électrophorétique.
pHi = ½ (pK1 + pK2)
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c. Chromatographie d’échange ionique des acides aminés
Elle utilise des résines échangeuses de cations (qui peuvent fixer des acides aminés chargés positivement) ou d’anions (qui peuvent fixer des acides aminés chargés négativement). Puis les acides aminés fixés sont élués en modifiant les conditions physicochimiques du tampon d’élution (pH, force ionique). Cette technique permet de séparer les acides aminés d’un mélange en vue de leur identification et de leur dosage.
d. Pouvoir tampon des acides aminés
Les acides aminés ont un pouvoir tampon car l’on peut préparer des solutions tampons d’acides aminés par action d’acides forts ou de bases fortes.
1.5.2.2. Propriétés dues à la fonction acide carboxylique
A. Réaction d’estérification
H+
R-CH-COOH + HO-R ‘ R-CH-COOR’ + H2O
NH2 NH2
B. Formation des amides
R-CH-COOH + H2N-R’ R-CH-CONH-R’ + H2O
NH2 NH2
La fonction amide obtenue à partir de la réaction entre deux acides aminés est appelée liaison peptidique.
C. Décarboxylation
R-CH-COOH RCH2-NH2 + CO2
NH2
C’est le départ du groupement –COOH des acides aminés sous forme de CO2, qui peut se faire par voie chimique ou enzymatique.
Par voie enzymatique, la décarboxylation est catalysée par des décarboxylases spécifiques et utilise comme coenzyme le phosphate de pyridoxal issu de la pyridoxine (vitamine B6). La décarboxylation des acides aminés conduit à la formation des amines biogènes dotées de propriétés physiologique et pharmacologique très importantes.
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Acides aminés
Amines formées
Rôles
Histidine
Histamine
Allergie
Acide glutamique
GABA
Neuromédiateur
3,4-dihydroxyphénylalanine
Dopamine
Neuromédiateur
5-hydroxytryptophane
Sérotonine
Neuromédiateur
Serine
Ethanolamine
Phospholipides membranaires
Lysine
Cadavérine
Raideur cadavérique
Ornithine
Putrescine
Putréfaction
Arginine
Agmatine
Neurotransmetteur
NB : GABA : acide gamma-aminobutyrique
D. Réduction de la fonction carboxyle
LiAlH4
R-CH-COOH R-CH-CH2OH
NH2 NH2
E. Réaction avec le PCl5
PCl5
R-CH-COOH R-CH-COCl + HCl + POCl3
NH2 NH2
La transformation de l’acide aminé en chlorure d’acyle permet d’activer le groupement carboxyle lors de la synthèse des peptides.
1.5.2.3. Propriétés dues à la fonction amine
A. Désamination
C’est la perte de la fonction amine. Elle peut se faire par voie chimique et la réaction utilise l’acide nitreux.
R-CH-COOH + O=N-OH R-CH-COOH + N2 + H2O
NH2 OH
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Cette réaction a été utilisée pour le dosage des acides aminés par la méthode de Van Slyke en mesurant le volume de N2 dégagé qui est proportionnel la quantité d’acide aminé présent dans la prise d’essai.
La désamination des acides aminés peut se faire par voie enzymatique, catalysée par une désaminase, aboutissant au départ du groupement NH2 sous forme d’ammoniac. Le processus le plus répandu est la désamination oxydative qui conduit à la formation d’un acide α-cétonique et à la libération de l’ammoniac.
R-CH-COOH + ½ O2 R-C-COOH + NH3
NH2 O
B. Réaction de SANGER
Le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB) réagit avec la fonction amine des acides aminés pour former par substitution nucléophile un dérivé dinitrophényl aminoacide (DNP-AA) de couleur jaune facilement identifiable en chromatographie et dosable à 360 nm. Cette réaction, décrite par Sanger, permet l’identification des acides aminés N-terminaux (NH2 terminaux) des peptides, dont l’amine est libre.
C. Réaction d’EDMAN
Le phényl isothiocyanate (PTC) réagit avec la fonction amine des acides aminés en milieu alcalin puis en milieu acide pour donner un dérivé phénylthiohydantoyl aminoacide (PTH-AA). Cette méthode, décrite par Edman, permet d’identifier les acides aminés N-terminaux des peptides dont l’amine est libre.
Désaminase
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D. Réaction de Dansylation
Le chlorure de Dansyle (chlorure de l’acide N,N-diméthyl amino naphtalène sulfonique) réagit très facilement avec les fonctions amines des aminoacides pour donner des dérivés sulfoamines très fluorescents (dansyl aminoacides) faciles à identifier.
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1.5.2.4. Propriétés dues à la présence simultanée des fonctions COOH et NH2
A. Réaction avec la ninhydrine
La ninhydrine, hydrate de la dicétohydrindène, est un oxydant puissant qui, par désamination oxydative des acides aminés, conduit à l’aldéhyde correspondant avec libération d’ammoniac, de gaz carbonique et formation de la ninhydrine réduite ou hydrindantine. Dans un second temps, l’ammoniac réagit avec l’hydrindantine et une autre molécule de ninhydrine pour donner un composé violacé appelé pourpre de Ruhemann. Cette réaction colorimétrique peut être utilisée pour l’indentification et le dosage des acides aminés par spectrophotométrie à 570 nm.
NB : Les iminoacides donnent un composé jaune dont le maximum d’absorption est à 440 nm.
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B. Liaison amide substituée entre deux α-aminoacides
Une liaison amide substituée ou liaison peptidique (-CO-NH-) peut s’établir entre deux aminoacides, l’α-COOH de l’un étant lié à l’α-NH2 de l’autre.
Si la liaison implique un COOH et un NH2 situés dans une autre position (β, δ, ε), on parle de liaison peptidoïde.
La synthèse des dicétopipérazines ou dipeptides cycliques se fait d’une part, par réaction entre le α-NH2 de l’aminoacide 1 et l’α-COOH de l’aminoacide 2 et, d’autre part, entre l’ α-COOH de l’aminoacide 1 et l’α-NH2 de l’aminoacide 2.
H2N-CH-CO-NH-CH-COOH CO-NH
R1 R2 R1-CH CH-R2
NH-CO
Dipeptide Dicétopipérazine
(Dipeptide cyclique)
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1.5.2.5. Propriétés dues au radical R
Le radical R des acides aminés peut donner lieu à des réactions selon sa nature.
Les acides aminés à radical R hydroxylés (serine, thréonine, tyrosine) peuvent réagir avec des acides minéraux comme l’acide phosphorique, par une réaction d’estérification. Cette réaction est importante pour les processus de phosphorylation/déphosphorylation des protéines dans le cadre de la régulation enzymatique.
Les acides aminés aromatiques peuvent subir des réactions de substitution au niveau du noyau aromatique. Cette réaction est capitale pour la formation des hormones thyroïdiennes à partir de la tyrosine.
Le groupement thiol des acides aminés peut être oxydé pour former des ponts disulfures permettent de stabiliser la structure tertiaire des protéines ou de moduler l’activité biologique des peptides.
2. Peptides
2.1. Généralités
On appelle peptide, l’association linéaire de plusieurs acides aminés liés par des liaisons peptidiques.
Selon le nombre d’acides aminés entrant dans la composition d’un peptide, on distingue les :
- dipeptides (2 acides aminés) ;
- tripeptides (3 acides aminés) ;
- tétrapeptides (4 acides aminés)…………
On appelle oligopeptide un peptide composé de deux à vingt acides α-aminés tandis qu’un polypeptide comprend vingt un à cent α-aminoacides.
L’extrémité N-terminale définit l’extrémité de la chaîne peptidique constituée par le premier acide aminé de la chaîne, qui porte un groupe α -aminé terminal libre. La séquence N-terminale désigne la séquence des acides aminés voisins de celui qui commence la chaîne peptidique à l’extrémité N-terminale.
L’extrémité C-terminale désigne l’extrémité de la chaîne peptidique constituée par le dernier aminoacide, qui porte un groupement α-carboxylique terminal. La séquence C-terminale désigne la séquence des acides aminés voisins de celui qui termine la chaîne peptidique à l’extrémité C-terminale.
2.2. Rôles
Les peptides ont des rôles biologiques non négligeables.
Certains peptides ont une activité hormonale ; exemples : ocytocine, vasopressine, insuline... ;
Les peptides jouent un rôle dans le lutte contre le stress oxydant : cas du glutathion ;
D’autres peptides sont des neuromédiateurs de classe IV, comme la somatostatine, les enképhalines, le peptide intestinal vasoactif.
2.3. Nomenclature
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Le nom d’un peptide est établi en commençant par l’aminoacide N-terminal. On ajoute le suffixe « yl » en remplacement de la terminaison « ine » du nom de l’acide aminé dont le carboxyle est engagé dans la liaison peptidique. Le nom de l’aminoacide C-terminal n’est pas modifié.
Exemple : Glycyl Lysyl Alanyl Serine
2.4. Liaison peptidique
La liaison peptidique (– CO – NH –) s’établit entre la fonction α-COOH et la fonction α-NH2 des deux acides aminés.
Cette liaison peptidique a les caractéristiques suivantes :
- c’est une double liaison partielle ;
- elle est rigide et coplanaire ;
- de configuration trans ;
- elle est polaire.
Application : Deux liaisons peptidiques consécutives peuvent réagir avec le biuret, en présence de cuivre, en milieu alcalin pour donner un complexe de couleur violacée qui absorbe à 540 nm : c’est la réaction du biuret. L’intensité de la coloration est proportionnelle au nombre de liaisons peptidiques et donc à la concentration en peptides ou protéines dans le prise d’essai. Cette méthode développée par Gornall en 1949 continue d’être utilisée encore pour le dosage des protéines.
2.5. Détermination de la séquence des acides aminés d’un peptide
La détermination de la séquence des acides aminés dans un peptide se fait selon les méthodes classiques de l’analyse biochimique. Les étapes les capitales sont les suivantes :
2.5.1. Détermination de la composition en acides aminés
Elle commence par la rupture d’éventuels ponts disulfures par action d’agents réducteurs comme l’acide performique, le β-mercaptoéthanol ou le dithiothreitol.
La composition en acides aminés d’un peptide est obtenue part hydrolyse acide (HCl 6 N, 110 °C, pendant au moins 24 heures). L’hydrolysat obtenu contient les acides aminés libres avec les modifications suivantes :
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- le tryptophane est entièrement détruit ;
- les amides (Asn, Gln) sont hydrolysés en ammoniac et en acides correspondants (Asp, Glu) ;
- certains acides aminés hydroxylés (Tyr, Ser, Thr) peuvent être partiellement détruits.
Par contre, l’action de la soude concentrée sur un peptide, à 120 °C, conduit à la destruction de tous les acides aminés sauf le tryptophane ; cette technique permet de vérifier la présence de cet acide aminé dans la chaîne peptidique.
Les acides aminés issus de cette hydrolyse acide sont identifiés et quantifiés. Les résultats sont exprimés de plusieurs manières. Les modes fréquents de présentation de ces résultats sont :
- le pourcentage pondéral (g de chaque acide aminé pour 100 g de peptide) ;
- le nombre de résidus de chaque acide aminé dans une molécule de peptides.
2.5.2. Détermination des acides aminés terminaux
Elle se fait par des méthodes chimiques et enzymatiques qui utilisent des exopeptidases.
2.5.2.1. Acides aminés N-terminaux
A- Méthodes chimiques
Les réactions suivantes sont mises à contribution :
- réaction de SANGER (DNFB) ;
- réaction d’EDMAN (PTC) ;
- la dansylation (chlorure de Dansyle).
B- Hydrolyse enzymatique
Elle utilise des exopeptidases particulières appelées aminopeptidases.
- L’aminopeptidase détache les acides aminés du côté N-terminal, sans distinction.
- La leucine aminopeptidase détache successivement les acides aminés du côté N-terminal sauf la proline.
- La proline aminopeptidase (iminopeptidase) détache la proline du côté N-terminal.
2.5.2.2. Acides aminés C-terminaux
A- Méthodes chimiques
C’est essentiellement l’hydrazinolyse d’Akabori. L’hydrazine rompt toutes les liaisons peptidiques en les transformant en hydrazides des acides aminés à l’exception de l’acide aminé C-terminal.
B- Méthodes enzymatiques
Elles utilisent les carboxypeptidases, exopeptidases particulières, qui détachent successivement les acides aminés de l’extrémité C-terminale.
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2.5.3. Détermination des acides aminés intra peptidiques
Elle se fait par hydrolyse partielle des peptides à l’aide des enzymes, les endopeptidases, et de méthodes chimiques.
2.5.3.1. Endopeptidases
Elles hydrolysent les peptides loin des extrémités et sont spécifiques de l’acide aminé au niveau duquel se fait la coupure. La protéolyse par récurrence est utilisée. Ainsi :
- la trypsine coupe le peptide au niveau du carboxyle des acides aminés basiques (arginine et lysine) sauf si l’acide aminé de droite est la proline ;
- la papaïne a la même action que la trypsine
- la chymotrypsine coupe le peptide essentiellement au niveau du carboxyle d’un acide aminé aromatique : phénylalanine, tyrosine, tryptophane et d’un autre acide aminé apolaire, la leucine sauf si la proline est à droite ;
- la pepsine coupe la chaîne peptidique au niveau de l’amine de la phénylalanine, de la tyrosine, du tryptophane, et aussi de la leucine, de l’acide aspartique, de l’acide glutamique sauf si la proline est à gauche ;
- La thermolysine rompt la liaison peptidique au niveau de l’amine de la valine, la leucine et l’isoleucine.
2.5.3.2. Hydrolyse chimique
Elle utilise essentiellement le bromure de cyanogène (CNBr) qui coupe le polypeptide au niveau du carboxyle de la méthionine.
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2.6. Quelques peptides d’importance biologique
2.6.1. Glutathion
C’est un tripeptide (γGlu-Cys-Gly) qui intervient dans certains processus d’oxydoréduction.
HOOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOH
NH2 CH2-SH
γ-Glutamyl cystéinyl glycine (Glutathion)
2.6.2. Ocytocine et vasopressine
Ce sont deux nanopeptides à structure voisine comportant un pont disulfure. La structure de la vasopressine ne diffère de celle de l’ocytocine que par le remplacement de l’Ile par Phe et de Leu par un aminoacide basique (Lys ou Arg selon les espèces animales).
Secrétées par la post hypophyse, l’ocytocine stimule la contraction du muscle utérin alors que la vasopressine augmente la pression sanguine et a une action antidiurétique.
H2N-Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-CONH2
S S Ocytocine
H2N-Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-CONH2
S S Lys Vasopressine
Chez l’homme et le boeuf c’est l’arginine-vasopressine alors que le porc a la lysine-vasopressine.
3. Protéines
3.1. Définition
Les protéines sont des macromolécules formées d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques.
3.2. Rôles
Les protéines jouent des rôles variés.
Catalyse enzymatique : les protéines sont des catalyseurs biologiques
Molécules de stockage
- Ferritine : stockage du fer
- Myoglobine : mise en réserve de l’oxygène dans le muscle
Transport de substances
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- Apolipoprotéines : transport des lipides dans le sang
- Canaux ioniques : transport d’ions à travers les membranes biologiques
Eléments structuraux
- Protéines du cytosquelette : tubuline, actine
- Protéines de jonction intercellulaire
- Protéines du tissu conjonctif : collagène, élastine
Rôle dans le mouvement
- Contraction musculaire : actine, myosine
- Locomotion des spermatozoïdes : kinésine et dynéine
Intervention dans l’immunité : anticorps et antigènes sont de nature protéique
Communication intercellulaire
- Génération et transmission de l’influx nerveux : rhodopsine
- Récepteurs protéiques des hormones et facteurs de croissance
Régulation de l’expression : Facteurs de régulation de la transcription des gènes
3.3. Classification
Elle est surtout structurale. En fonction de leur composition on distingue deux grands groupes de protéines :
Les holoprotéines qui ne sont constituées que d’acides aminés ;
Les hétéroprotéines qui comportent en dehors de la chaîne polypeptidique une partie non protéique appelée groupement prosthétique (minéral, métallique ou organique). On retrouve dans ce groupe:
- Les phosphoprotéines dans lesquels l’acide phosphorique estérifie les fonctions alcools de la sérine, de la thréonine, la fonction phénol de la tyrosine. La plus connue dans ce groupe est la caséine du lait ;
- Les glycoprotéines
Elles résultent de l’association d’une protéine avec un groupement glucidique de taille moléculaire variable appelé glycane. Les glycoprotéines sont très répandues dans les tissus animaux et végétaux ainsi que dans les microorganismes et les virus.
o La substance fondamentale contient des fibres de glycoprotéines d’élastine, de réticuline et de collagène.
o De nombreuses hormones sont de nature glycoprotéique : FSH, LH, TSH.
o Dans les biomembranes on trouve de nombreuses glycoprotéines en l’occurrence des glycoprotéines spécifiques des groupes sanguins ABO présentes sur la membrane des érythrocytes humains.
o De nombreuses protéines plasmatiques sont des glycoprotéines : les immunoglobulines, l’orosomucoïde, la transferrine, les haptoglobines, la prothrombine, le fibrinogène.
- Les lipoprotéines : Ce sont des associations entre protéines et lipides. Elles sont retrouvées dans le plasma : VLDL, LDL, HDL.
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- Les chromoprotéines : Ce sont des protéines colorées dont le groupement prosthétique contient souvent un élément métallique (Fe, Cu, Mg). Dans groupe on retrouve : les hémoglobines, les cytochromes et les enzymes héminiques (catalases, peroxydases…).
3.4. Structure
3.4.1. Structure primaire
Elle se définit par l’enchaînement linéaire des acides aminés dans un polypeptide.
3.4.2. Structure secondaire
Elle représente la configuration spatiale de la chaîne peptidique en une structure organisée. Les liaisons hydrogènes se forment entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène des liaisons peptidiques. On distingue deux types de structure : l’hélice α et le feuillet plissé β qui peuvent s’associer ou non pour former des protéines globulaires ou fibreuses.
Hélice α
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3. 4.2.1. Protéines globulaires
Elles sont douées d’activité biologique et ont une structure hélicoïdale et β plissée ; cas de l’albumine, des globulines plasmatiques. La chaîne peptidique est maintenue dans cette structure hélicoïdale par des liaisons hydrogène intra chaîne.
3.4.2.2. Protéines fibreuses
Ce sont essentiellement des protéines de structure des tissus qui présentent une structure en feuillets plissés β ou en hélice α. On range dans ce groupe :
- la fibroïne de la soie ;
- les collagènes que l’on retrouve dans les tissus conjonctifs ;
- les kératines retrouvées dans la peau et les phanères (cheveux, poils, ongles, cornes, plumes etc.)
3.4.2.3. Notion de superstructure secondaire
La superstructure secondaire fait référence à la notion de motif et caractérise les protéines globulaires. Il s’agit d’une combinaison de structures secondaires (hélices α, feuillets β plissés). Exemples : hélice-coude-hélice ; unité β-α-β.
3.4.3. Structure tertiaire
Elle est due à l’existence de liaisons secondaires entre les chaînes latérales des résidus d’acides aminés. La structure tertiaire est définie comme l’enroulement sur elles-mêmes de plusieurs structures secondaires. La stabilité de la structure tertiaire est assurée par des liaisons qui font intervenir uniquement les radicaux R des acides aminés constitutifs de la protéine. Ce sont : les liaisons covalentes (ponts disulfures), des liaisons ioniques (entre groupes chargés de signe opposé, des liaisons hydrogènes, et des interactions hydrophobes.
Feuillet β
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La conformation native de la protéine est la structure tertiaire qui lui confère sa fonction biologique dans les conditions physiologiques.
Les domaines d’une protéine sont des unités fonctionnelles et/ ou structurales distinctes d’une protéine, responsables d’une fonction ou d’une interaction particulière et qui contribuent à la fonction de la protéine. Ils sont construits à partir des motifs.
3.4.4. Structure quaternaire
Elle correspond à l’association spécifique de plusieurs structures tertiaires. Une telle protéine dite oligomérique est constituée par l’association de plusieurs sous unités identiques ou différentes appelées protomères. Chaque sous unité non associée est appelée monomère. C’est le cas de l’hémoglobine qui est formée de quatre sous-unités, deux à deux identiques et des enzymes allostériques.
Structure tertiaire d’une protéine
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3.5. Dénaturation des protéines
3.5.1. Définition
La dénaturation est une modification de la structure native d’une protéine par altération des liaisons de stabilisation (sauf les liaisons peptidiques) aboutissant à la perte de son activité biologique.
3.5.2. Critères de dénaturation
La dénaturation d’une protéine est reconnue par les critères suivants :
- insolubilisation de la protéine ;
- perte de son activité biologique ;
- augmentation de la viscosité de la solution protéique.
3.5.3. Causes de la dénaturation
Ce sont les agents dénaturants qui peuvent être :
- physiques : élévation de la température, radiations ultraviolettes ;
- chimiques : pH extrêmes, détergents anioniques, urée, réactifs rompant les ponts disulfure.
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Biochimie médicale (P. Louisot)
- Principe de biochimie (A. L. Lehninger)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie dynamique (P. Borel)
- Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
- Biochimie humaine (F. Horn)
- Biochemistry (R. A. Harvey)
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STRUCTURE DES HÉMOGLOBINES HUMAINES
Objectifs
1. Définir hémoglobines humaines
2. Décrire la structure des hémoglobines humaines
3. Expliquer la fixation du dioxygène sur l’hémoglobine
4. Expliquer le rôle des facteurs influençant la saturation de l’hémoglobine en dioxygène
5. Décrire les hémoglobines inactives et les hémoglobines anormales
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1. Définition
Les hémoglobines humaines sont des chromoprotéines de structure quaternaire, retrouvées dans les érythrocytes.
2. Rôle
Deux fonctions essentielles sont dévolues aux hémoglobines humaines :
- le transport des gaz respiratoires :
dioxygène depuis les poumons jusqu’au niveau cellulaire ;
dioxyde de carbone des tissus périphériques aux poumons en vue de son élimination.
- la participation au maintien de l’équilibre acido-basique par l’intermédiaire du couple hémoglobine/hémoglobinate.
3. Structure
Tétramère de poids moléculaire 64.558 Da, l’hémoglobine est une hétéroprotéine constituée d’une partie protéique appelée globine et d’un groupement prosthétique, fraction non protéique, l’hème.
NB : La myoglobine, pigment respiratoire du muscle, est une protéine de structure tertiaire composée d’hème et de globine, de poids moléculaire correspondant environ au ¼ de celui l’hémoglobine (17.000 Da).
3.1. Hème
Représentant 4% seulement de la structure de l’hémoglobine, l’hème est une porphyrine constituée de la protoporphyrine III (ou protoporphyrine IX de la classification de Fischer) centrée sur un atome de fer ferreux (Fe++). La protoporphyrine IX est constituée de quatre noyaux pyrroliques et de radicaux :
- vinyle (– CH = CH2) en 2 et 4 ;
- méthyle (– CH3) en 1, 3, 5 et 8 ;
- propionate (– CH2 – CH2-COO-) en 6 et 7.
Le fer se lie aux noyaux pyrroliques grâce aux atomes d’azote par des liaisons covalentes de coordination.
Structure de l’hème
3.2. Globine
3.2.1. Structure primaire
C’est l’enchaînement des acides aminés constitutifs des chaînes de globines. On distingue deux groupes de chaînes de globines :
- les chaines de globine alpha constituées de 141 acides aminés ;
- les chaines de globine non alpha constituées de 146 acides aminés.
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3.2.2. Structure secondaire
La structure secondaire est l’enroulement hélicoïdal de certains segments de la chaîne de globine. Il y a huit (8) segments hélicoïdaux, A, B, C, D, E, F, G, H, séparés par des segments non hélicoïdaux.
3.2.3. Structure tertiaire
La structure tertiaire est l’enroulement sur elle-même de chaque chaîne de globine, stabilisée par des liaisons entre acides aminés. Dans son organisation, les groupements hydrophiles des acides aminés se disposent à la surface de la molécule alors que les groupements hydrophobes se placent en profondeur. On observe une architecture de la molécule de globine qui ménage un espace, appelé poche de l’hème, dans lequel vient se loger l’hème.
Structure tertiaire d’une chaîne de globine
3.3. Structure d’une sous-unité de l’hémoglobine
L’hème s’unit à la chaîne polypeptidique α ou β par l’intermédiaire de son atome de fer qui contracte une liaison avec un résidu histidyle (proximal) en position 63 (histidine F8). Les liaisons de coordinance de chaque fer sont donc occupées par les quatre atomes d’azote du noyau tétrapyrrolique, du résidu histidyle proximal et la 6ème restante disponible pour s’unir avec l’oxygène (oxyhémoglobine), l’eau ou le monoxyde de carbone (carboxyhémoglobine).
Schéma d’une sous-unité de l’hémoglobine
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3.4. Structure quaternaire
La structure quaternaire est l’assemblage des quatre sous-unités de l’hème-globine, deux à deux identiques, deux sous-unités alpha et deux non alpha. Les liaisons entre alpha1-bêta1 et entre bêta2-alpha2 sont nombreuses et fortes, donc importantes pour assurer la stabilité interne de la molécule. Les interactions entre alpha1-bêta2 et entre bêta1-alpha2 sont peu nombreuses et faibles, permettant des mouvements internes lors de l’oxygénation. La molécule d’hémoglobine est stabilisée dans son ensemble par : des liaisons hydrogènes, des liaisons covalentes, des forces de Van Der Waals et des liaisons hydrophobes de Kauzmann. La disposition des quatre sous-unités permet de délimiter une cavité centrale au sein de la molécule d’hémoglobine appelée poche du 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG).
Structure quaternaire de l’hémoglobine montrant le 2,3-BPG dans sa poche
4. Synthèse des chaînes de globine
La synthèse des chaînes de globine est codée par des gènes alpha (α) situés sur le chromosome 16 et des gènes non α situés sur le chromosome 11. La famille α comporte 3 gènes : le gène embryonnaire ζ et deux gènes α (α1 et α2) alors que la famille non α comprend cinq gènes : le gène embryonnaire ε, deux gène foetaux Ύ (G Ύ et A Ύ) et deux gènes adultes β et δ.
Famille des gènes de globine
Au cours de l’ontogenèse, il faut distinguer trois périodes importantes regroupées en : pendant la vie intra-utérine et après la naissance.
Vie intra-utérine : elle est subdivisée en périodes embryonnaire et foetale.
- Période embryonnaire : synthèse des chaînes de globine ζ, ε, α et Ύ déterminant l’hémoglobine :
o Portland : ζ2 Ύ2 ;
o Gower 1 : ζ2ɛ2 ;
o Gower 2 : α2ɛ2.
- Période foetale : synthèse des chaînes de globine α et Ύ déterminant l’hémoglobine foetale (HbF : α2Ύ2) correspondant à une synthèse hépatique entre le 3ème et le 8ème mois de vie intra-utérine.
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Vie extra-utérine : c’est la troisième période caractérisée par la synthèse des chaînes α et β (majoritaires), δ et Ύ (minoritaire) déterminant l’hémoglobine adulte normale composée de :
- hémoglobine A (HbA) : 2 chaînes α et 2 chaînes β (α2 β2) représentant 97% de l’Hb chez l’adulte ;
- hémoglobine mineure de l’adulte A2 (HbA2) : 2 chaînes α + 2 chaînes δ (α2 δ2) représentant 2 à 3% de l’hémoglobine de l’adulte normal ;
- hémoglobine foetale F (HbF) : 2 chaînes α + 2 chaînes γ (α2Ύ2) ; elle disparait progressivement jusqu’à l’âge de six (6) mois. Après l’âge d’un an, son taux est inférieur à 1% de l’hémoglobine.
Synthèse des chaînes de globine au cours de l’ontogenèse
5. Transport du dioxygène
5.1. Mécanisme de fixation du dioxygène
La molécule d’hémoglobine existe sous deux états :
- état contraint appelé forme tendue ou tense (T) pour la désoxyhémoglobine ;
- état relâché ou relaxed (R) pour l’oxyhémoglobine.
La forme T a une forte affinité pour le dioxyde de carbone alors que la forme R possède une forte affinité pour le dioxygène. Le passage de la forme T à la forme R définit la transition allostérique.
La fixation du dioxygène sur le Fe++ déclenche un changement de conformation de l’hémoglobine qui passe de la forme T à la forme R. En effet, la liaison du dioxygène au Fe2+ sur la sixième valence de coordinance libre du fer, induit une diminution du diamètre de l’atome de fer qui, de ce fait, se déplace et vient se positionner dans le plan du noyau porphyrinique de l’hème. Le dioxygène se lie également à un site localisé au voisinage de l’histidine distale de l’hélice E (histidine E7). Le mouvement de l’atome de fer provoque un déplacement de l’histidine proximale F8. Il en résulte un changement de conformation de la sous-unité de globine concernée faisant apparaître la transition T R. Ces modifications sont ensuite transmises aux autres sous-unités qui vont fixer facilement l’oxygène. Le phénomène inverse est observé lors du passage R T.
NB : Le dioxygène ne se fixe pas si le fer est oxydé (Fe3+), comme c’est le cas de la méthémoglobine.
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Liaison du dioxygène à l’hémoglobine
Etat conformationnel d’une molécule d’hémoglobine selon sa saturation en dioxygène
La saturation des quatre sous-unités de l’hémoglobine est progressive et ces sous-unités adoptent la même configuration lorsque l’hémoglobine est oxygénée ou désoxygénée : c’est la coopérativité. Elle est dite positive car les quatre sous-unités coopèrent pour assurer le transport du dioxygène. L’allure des courbes de saturation de l’hémoglobine en dioxygène est sigmoïde contrairement à celle de la myoglobine qui est hyperbolique.
110 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Courbes de saturation de l’hémoglobine et de la myoglobine en fonction de pO2
5.2. Facteurs influençant l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène
L’augmentation de la température, de la pression partielle en CO2, de la concentration intra-érythrocytaire de 2,3-BPG et la baisse du pH diminuent l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène.
5.2.1. 2,3 - Bisphosphoglycérate
Le 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG) joue un rôle capital dans le transport du dioxygène par l’hémoglobine en se fixant et défixant dans sa poche (cavité). Lors de la fixation du dioxygène, cette cavité devenant trop petite, le 2,3-BPG en est chassé par rupture de ses liaisons ioniques avec les globines, la molécule d’hémoglobine adopte la configuration relâchée (R) ; ceci facilite la fixation du dioxygène. Par contre, lorsque le 2,3-BPG se fixe dans sa cavité, la molécule d’hémoglobine adopte la configuration tendue (T), diminuant l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène. On dit que le 2,3-BPG diminue l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène en stabilisant la forme désoxygénée de celle-ci et donc module la transition allostérique. Les courbes de saturation de l’hémoglobine en dioxygène sont déplacées vers la droite en présence de 2,3-BPG.
Rôle du 2,3-BPG dans la saturation de l’hémoglobine en dioxygène
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5.2.2. pH
La baisse du pH diminue l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène. Cela se traduit par le déplacement des courbes de saturation de l’hémoglobine en dioxygène vers la droite. Ce phénomène connu sous le nom d’effet BOHR a une importance physiologique. En effet, l’allure sigmoïde des courbes de saturation montre que la variation du pH ne supprime pas la notion de coopérativité. Au niveau des tissus, lorsqu’une intense activité métabolique abaisse le pH, l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène diminue et sa libération en faveur des tissus est facilitée.
Effet du pH sur les courbes de saturation de l’hémoglobine en dioxygène
6. Hémoglobines inactives et hémoglobines anormales
6.1. Hémoglobines inactives
6.1.1. Carboxyhémoglobine
Le monoxyde de carbone (CO) se fixe au même site que le dioxygène sur l’hémoglobine. Le CO ayant une affinité pour l’hémoglobine 300 fois supérieure à celle du dioxygène, il déplace le dioxygène de sa liaison avec l’hémoglobine. La carboxyhémoglobine (CO-Hb) est inapte au transport du dioxygène. A l’état normal, 1% de l’hémoglobine est sous forme carboxyhémoglobine ; chez les fumeurs, cette proportion peut atteindre 15%.
6.1.2. Intoxication par le monoxyde de carbone
A partir de 20 à 30% de CO-Hb, des symptômes liés au déficit en dioxygène apparaissent : céphalées, vertiges, trouble de la conscience. Soixante à 70% de CO-Hb entraine la mort par asphyxie interne. Les causes de l’intoxication au CO sont les combustions incomplètes.
6.1.3. Méthémoglobine
L’oxydation du fer ferreux (Fe2+) en fer ferrique (Fe3+) donne de la méthémoglobine, incapable de transporter de l’oxygène. Physiologiquement, il existe 0,5 à 2% d’hémoglobine sous forme de méthémoglobine. Les signes comme la cyanose, les vertiges, les troubles de la conscience apparaissent lorsque le taux de méthémoglobine atteint 10 à 20%. Une enzyme, la méthémoglobine réductase évite l’accumulation de la méthémoglobine en la réduisant en présence de NADH,H+. L’apparition de fortes concentrations de méthémoglobine peut être due à un déficit en méthémoglobine réductase ou à une intoxication par des agents oxydants.
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6.2. Hémoglobines anormales
Les hémoglobines anormales sont la conséquence d’anomalies moléculaires de l’hémoglobine dues à des défauts au niveau de l’ADN codant. Ces défauts sont classiquement :
- des glissements génétiques : délétion ou insertion d’un ou plusieurs nucléotides, mutation au niveau d’un ou plusieurs nucléotides ;
- des réarrangements génétiques : fusion ou échange de fragments de gènes.
Les conséquences de ces défauts sont le remplacement d’un acide aminé par un autre (mutation ponctuelle) ou le décalage du cadre de lecture lors de la traduction. Ainsi, on distingue les anomalies quantitatives lorsqu’il y a un décalage du cadre de lecture et les anomalies qualitatives en cas de mutation ponctuelle.
Le diagnostic des hémoglobines anormales se fait par des méthodes séparatives et non séparatives.
6.2.1. Anomalies qualitatives
Dans les hémoglobinopathies qualitatives, une des globines présente un vice de structure (notamment un acide aminé est remplacé par un autre) alors que la quantité de chaînes produites et de tétramères est en principe normale. Ainsi, une telle substitution d’acides aminés modifie les propriétés physicochimiques de l’hémoglobine affectant considérablement sa fonction.
6.2.1.1. Hémoglobine S
Elle est à l’origine de la drépanocytose qui est une maladie héréditaire de l’hémoglobine à transmission autosomique récessive due à une mutation unique et ponctuelle du gène β de la globine situé sur le chromosome 11. La conséquence qui en résulte est la substitution de l’acide glutamique (chargé négativement) par la valine (acide aminé neutre) en position 6 de la chaîne β de globine. Il en résulte une hémoglobine anomale appelée hémoglobine S dont les propriétés physicochimiques sont différentes de l’hémoglobine normale A. A l’électrophorèse, l’hémoglobine S migre à une position différente de celle de l’hémoglobine A. Les différents phénotypes possibles sont :
- la forme homozygote SS ;
- la forme hétérozygote simple AS ;
- les formes hétérozygotes composites dans lesquelles l’HbS est associée à d’autres hémoglobinopathies : SC, Sβ thalassémique.
6.2.1.2. Hémoglobine C
Elle est responsable de l’hémoglobinose C qui est une maladie héréditaire de l’hémoglobine à transmission autosomique récessive très répandue en Afrique occidentale. La mutation unique et ponctuelle sur le chromosome 11 conduit à la substitution de l’acide glutamique (chargé négativement) par la lysine (acide aminé basique) en position 6 de la chaîne β de globine. Elle est bénigne par rapport à la drépanocytose et on distingue les formes homozygotes CC des formes hétérozygotes AC, SC, Cβ thalassémique.
6.2.1.3. Hémoglobines à affinité modifiée
Elles résultent de mutations ponctuelles affectant :
- les interactions entre les différentes protomères avec diminution de l’affinité pour l’oxygène ;
- la transition allostérique : cas de l’hémoglobine Creteil α2 β2 89 (F5) Ser Asn, variant à haute affinité pour l’oxygène qui présente une faible coopérativité, un effet BOHR diminué et qui n’interagit pas avec le 2,3-BPG.
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6.2.2. Anomalies quantitatives
Une hémoglobinopathie est dite quantitative quand la synthèse d’un type de globine est partiellement ou totalement supprimée. Dans ce cas, les chaînes de globine synthétisées sont de structure normale. La chaîne nommée est celle absente ou insuffisante. Les globines non touchées par le défaut, produites en quantité normale, ne trouveront pas les partenaires pour faire les tétramères souhaités et se retrouvent en excès dans le globule rouge, excès qui peut être néfaste.
6.2.2.1. Thalassémies
Elles résultent d’anomalies quantitatives de synthèse des chaînes de globine. Les plus fréquentes touchent les chaînes α et β et sont répandues dans le bassin méditerranéen et les Indes.
La biosynthèse de la chaîne β peut être nulle (β° thalassémie) ou diminuée (β+ thalassémie). La β thalassémie majeure ou maladie de Cooley est de pronostic réservé car le décès survient très tôt dès les premiers mois de vie.
6.2.2.2. Persistance héréditaire de l’hémoglobine foetale (PHHF)
Elle est caractérisée par la production à un taux anormalement élevé de l’hémoglobine F à l’âge adulte. Elle se présente sous deux formes :
- une forme homozygote où il y a absence totale de production d’hémoglobine A et A2 par non production des globines β et δ;
- une forme hétérozygote où l’hémoglobine F est retrouvée à 20-30%.
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Toute la biochimie (S. Weinman)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
- Biochimie humaine (F. Horn)
- Biochemistry (R. A. Harvey)
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ENZYMOLOGIE GENERALE
Objectifs
1. Définir enzymes, isoenzymes et spécifier les caractères généraux des enzymes
2. Nommer et classifier les enzymes
3. Décrire la constitution d’une enzyme
4. Décrire l’influence des facteurs physicochimiques sur la vitesse d’une réaction enzymatique
5. Faire la représentation de MICHAELIS-MENTEN et celle de LINEWEAVER BURK de la cinétique d’une enzyme en l’absence et en présence d’effecteur
6. Déterminer les constantes cinétiques d’une réaction enzymatique
7. Décrire les enzymes allostériques
8. Décrire les applications de l’enzymologie générale
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1. Définitions
Etymologiquement « enzyme » signifie « ce qui est dans le levain » c’est à dire dans la cellule de levure de bière, substance active produisant des fermentations.
Les enzymes sont des catalyseurs d’origine biologique (biocatalyseurs), de nature protéique, thermolabiles, produits par les êtres vivants. Ce sont des protéines hautement spécialisées dans la catalyse des réactions biochimiques.
Il existe des enzymes de nature non protéique : ce sont les ribozymes constitués d’ARN.
2. Caractères généraux des enzymes
Les enzymes, protéines de poids moléculaire élevé, sont des catalyseurs efficaces et hautement spécifiques. Elles interviennent dans des conditions salines, de température et de pH bien déterminées, et doivent être régénérées à la fin de la réaction ou de la séquence des réactions.
Les enzymes sont des catalyseurs efficaces : elles ont la propriété remarquable d’accélérer la vitesse des réactions chimiques, de les rendre possibles et rapides aux températures compatibles avec la vie ; elles sont donc dotées d’un haut pouvoir catalytique ;
Les enzymes sont des catalyseurs extrêmement sélectifs : adaptés plus ou moins étroitement à un type donné de réaction ou même à l’attaque seule d’une molécule ; ont dit que les enzymes ont une très grande spécificité.
La spécificité des enzymes est double :
- spécificité de réaction : sur un substrat donné, une enzyme ne catalyse qu’une seule réaction ; c’est une spécificité étroite ou de rigueur absolue (cas des désaminases, transaminases, décarboxylases des aminoacides) ;
- spécificité de substrat : elle peut être étroite si l’enzyme n’agit que sur un substrat (hydrolyse de l’urée par l’uréase) ou large si l’enzyme agit sur un ensemble de substrats ayant des particularités structurales communes (hydrolyse des β-galactosides par les β-galactosidases). Il peut s’agir d’une stéréospécificité lorsque l’enzyme ne catalyse la réaction qu’avec un seul stéréo-isomère (par exemple les oses de la série D mais pas ceux de la série L)
La substance attaquée par l’enzyme est le substrat. Les réactions enzymatiques sont réversibles et une enzyme est capable de catalyser la réaction dans les deux sens si les conditions thermodynamiques sont favorables.
Les isoenzymes sont des variétés moléculaires d’une même enzyme, élaborées par le même organisme, et catalysant la même réaction, mais de propriétés physico-chimiques différentes.
3. Historique
En 1752, René-Antoine Ferchault de Réaumur observe que des aliments solides étaient convertis en une matière fluide par l'effet d'un "ferment" sécrété par l'estomac, observation confirmée par Lazzaro Spallanzani. En 1833, Anselme Payen et Jean-François Persoz montrèrent qu'après un traitement à l'éthanol du malt, l'extrait aqueux avait la capacité d'hydrolyser l'amidon : cet extrait qui catalysait le passage d'un état insoluble à un état soluble fut dénommé diastase (du grec = séparation). En 1836 Theodor Schawnn démontrait la présence dans un extrait d'estomac d'un ferment protéolytique, qu'il appela pepsine. De nombreuses études sur la fermentation par des levures furent menées par Louis Pasteur, Justus von Liebig, Georg Ernst Stahl, Marcelin Berthelot. En 1878 Wilhelm Kunhe proposa le nom d'enzyme pour qualifier ces ferments et en 1898 Duclaux proposa le suffixe "ase". En 1897, Gabriel Bertrand observa que certaines enzymes requièrent des facteurs dialysables pour leur activité : il les nomma "coenzymes".
Le début du XXème siècle voit une débauche de travaux de purification des enzymes qui permettent l'élucidation de nombreuses voies métaboliques et confirment que les enzymes sont des protéines : expériences de cristallisation de l'uréase par James Summer en 1926, de la pepsine et de la
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chymotrypsine par John Northrop en 1933, de la ribonucléase A par Moses Kunitz en 1940. Enfin en 1965, David Phillips et son équipe publient la première structure tridimensionnelle d'un enzyme, le lysozyme, purifié à partir du blanc d'oeuf.
Plus de 4000 enzymes sont répertoriées actuellement et l’enzymologie constitue l’une des branches fondamentales de la biochimie.
4. Nomenclature des enzymes
4.1. Nomenclature fonctionnelle
La nomenclature des enzymes est à suffixe « ase». Le radical indique soit le mode d’action (déshydrogénation, oxydation), soit la nature de la substance attaquée (ester, amidon, acide urique) suivi du suffixe « ase ». Ainsi on parlera de : déshydrogénase pour désigner une enzyme catalysant une réaction de déshydrogénation, oxydase pour une enzyme catalysant une réaction d’oxydation, estérase pour une enzyme ayant pour substrat un ester, amylase pour une enzyme ayant comme substrat l’amidon, uricase pour une enzyme qui a l’acide urique pour substrat. Cependant, l’on utilise encore des noms courants pour désigner certaines enzymes : pepsine, trypsine…
4.2. Nomenclature officielle
La stéréospécificité des enzymes vis à vis de leurs substrats ainsi que le nombre de ces derniers dans les métabolismes des cellules, impliquent une grande diversité des catalyseurs enzymatiques. La Commission des Enzymes de l'Union Internationale de Biochimie a proposé une nomenclature, ajoutée au nom courant, qui tient compte des types de réactions que l'enzyme catalyse : elle s'écrit sous la forme E.C.a.b.c.d (E.C. abréviation de « Enzyme Commission »).
N°
Classe de l’enzyme
a = 1
Oxydoréductases (transfert d'électrons, d’atomes d’hydrogène ou fixation d’oxygène)
a = 2
Transférases (transfert d’atomes ou de groupe d’atomes autre que ceux impliqués dans la catalyse par les oxydoréductases)
a = 3
Hydrolases (coupure de liaisons par hydrolyse avec fixation de radicaux H et OH issus de l’eau)
a = 4
Lyases (coupure de liaison par d’autres modes autres que l’hydrolyse)
a = 5
Isomérases (changement dans la configuration de la molécule de substrat)
a = 6
Ligases (condensation de deux molécules en utilisant de l’énergie)
a, premier chiffre, variant de 1 à 6 indique le type de réaction catalysée : c'est la classe de l'enzyme. Le tableau suivant montre les six classes d’enzymes ;
b, deuxième chiffre, désigne la sous-classe de l’enzyme qui est définie suivant son mécanisme d’action. Dans le cas des oxydoréductases par exemple, on distingue les déshydrogénases, les monooxygénases, les dioxygénases ;
c, troisième chiffre, représente la nature de la molécule qui sert d’accepteur ;
d, quatrième chiffre, est le numéro d’ordre d’identification de l’enzyme.
Exemple : Alpha amylase (E.C.3.2.1.1)
5. Constitution des enzymes
Les enzymes sont constituées d’une fraction protéique, thermolabile appelée apoenzyme à laquelle vient s’ajouter dans certains cas un cofacteur appelé coenzyme, non protéique, thermostable (substance organique, cation métallique).
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5.1. Apoenzyme
C’est la partie protéique de l’enzyme. La protéine enzymatique est soit de structure tertiaire ou quaternaire. L’apoenzyme contient le site actif de l’enzyme.
Ecore appelé centre actif, le site actif est une région localisée de l’apoenzyme où se fixe(nt) et se transforme(nt) le(s) substrat(s). Le site actif comprend alors :
- le site catalytique qui transforme le substrat en produit ;
- le site de liaison qui sert à la fixation du substrat sur l’enzyme.
Les acides aminés rencontrés au niveau du site actif sont : l’histidine, la serine, la lysine, la cystéine, la tyrosine, l’acide aspartique et l’acide glutamique.
5.2. Coenzymes
Le coenzyme est une petite molécule ou un ion (coenzyme métallique) lié à l’apoprotéine et indispensable à l’activité de l’enzyme. Excepté les hydrolases, toutes les enzymes requièrent un coenzyme. La plupart des coenzymes dérivent des vitamines.
6. Catalyse enzymatique
En 1893, Wilhelm Ostwald montra que les enzymes sont des catalyseurs et en 1894 Emil Fisher posa l'acte fondateur de la notion de stéréospécificité dans le phénomène de catalyse enzymatique sous l'image d'une clé qui ouvre une serrure et une seule.
Les mécanismes moléculaires de la catalyse enzymatique ne posent pas de problèmes différents de ceux de la réactivité chimique. Soit la réaction élémentaire catalysée :
E + S P + E
où E est l'enzyme (catalyseur protéique que l'on retrouve dans le bilan des produits), S est le substrat et P le produit. Les propriétés importantes de l'enzyme sont :
- elle est retrouvée non modifiée à la fin de la réaction ;
- elle modifie la vitesse des réactions thermodynamiquement possibles (elle ne modifie pas l'énergie du système réactionnel) ;
- elle est stéréospécifique du substrat (à la différence de nombreux catalyseurs chimiques) ;
- notons que certaines enzymes n'ont d'activité catalytique qu'en présence de leur cofacteur, composé non protéique.
Le facteur d'accroissement de la vitesse de la réaction par une enzyme peut être élevé. Le tableau suivant montre les facteurs d’accroissement de la vitesse de réactions catalysées par quelques enzymes.
7. Cinétique enzymatique
Le terme de cinétique enzymatique désigne l’étude des propriétés des enzymes par mesure des constantes de vitesse dans différentes conditions. Une réaction chimique peut se produire avec consommation d’énergie (endergonique) ou avec libération d’énergie (exergonique).
Enzyme
Facteur d’accroissement
Chymotrypsine
107
Lysozyme
2.108
Phosphatase alcaline
1017
Uréase
1014
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A la température de l’organisme, les réactions ne se font habituellement de façon spontanée qu’avec lenteur. Les enzymes agissent en apportant aux systèmes biochimiques une énergie d’activation ou en abaissant la barrière énergétique.
Rôle catalytique des enzymes par abaissement de l’énergie d’activation
7.1. Modèle de base de la cinétique enzymatique
En 1902, Victor Henri et Adrian Brown suggérèrent indépendamment que dans la réaction enzymatique, l'hypothèse de la formation d'un complexe enzyme-substrat était nécessaire pour interpréter la forme hyperbolique de la courbe vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration initiale de substrat, les autres paramètres étant constants (concentration en enzyme, température, pH, pression..). La réaction étant d'ordre zéro par rapport au substrat au-dessus d'une certaine concentration.
7.2. Réactions à un seul substrat
En 1913, suite aux travaux de Victor Henri, Maud Menten et Leonor Michaëlis résolvèrent le système réactionnel en posant les hypothèses simplificatrices suivantes, suggérées par les études expérimentales :
1) les mesures de cinétique seront toujours faites pour des concentrations de produit très faible : c'est la mesure de la vitesse initiale (vi) pour [P] 0 et [S] [S]0 où [S]0 est la concentration du substrat à l'instant initial ;
2) la concentration totale du substrat [S]0 est grande (>>) devant celle de l'enzyme [E]0 ;
3) dès l'addition de l'enzyme dans la solution de substrat, il s'établit un équilibre rapide entre les formes libres de l'enzyme, du substrat et du complexe (appelé complexe de Michaëlis), on parle d'hypothèse du quasi-équilibre ou pré-équilibre.
En 1925, George Briggs et John Haldane ont montré que l'on obtenait une équation similaire à celle de Michaëlis-Menten avec des hypothèses moins restrictives : il n'est pas nécessaire de poser la condition (3) : établissement d'un équilibre rapide entre les formes libres de l'enzyme, du substrat et du complexe pour résoudre le système simplement. Il suffit de supposer que le système réactionnel est dans un état stationnaire (ou quasi-stationnaire). Ceci signifie que la vitesse de disparition du complexe Michaëlien (ES) est nulle (d[ES] /dt) = 0, donc sa concentration constante ([ES] =Ct). C'est le cas de la plupart des
Exergonique
A B + énergie
Endergonique
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expériences de cinétique, où on peut considérer qu'après un état pré-stationnaire très court, l'état stationnaire est atteint.
Les enzymes permettent d’atteindre rapidement l’état d’équilibre des réactions. Pour cela, la molécule de substrat qui sera transformée s’unit avec la molécule protéique enzymatique en un complexe enzyme-substrat sur lequel s’effectue la réaction et qui, ensuite se dissocie en libérant le produit de réaction.
7.2.1. Vitesse initiale de la réaction
Dans les conditions initiales, peu de substrat ayant été transformé, la concentration du produit P est négligeable. On peut considérer que la réaction est irréversible :
La décomposition du complexe ES est donc l’étape limitante, la plus lente. La vitesse de la réaction peut s’écrire : v = d[P]/dt = k3 [ES].
Dans les conditions initiales il s’établit un état stationnaire qui signifie que la concentration en ES est constante car sa vitesse de formation est égale à sa vitesse de décomposition. Donc v = k3 [ES] = constante.
Vitesse de formation de ES : v = d[ES]/dt = k1[E][S]
Vitesse de décomposition de ES : v’ = -d[ES]/dt = k2[ES] + k3[ES] = (k2+k3)[ES]
Comme [ES] constante, v = v’ alors k1[E][S] = (k2+k3)[ES] donc
[E][S]/[ES] = k2+k3/k1 = KM
KM s’appelle constante de MICHAELIS
Soit [Et] la concentration totale de l’enzyme. Selon la conservation de la matière :
[Et] = [E] + [ES]
Lorsque [S] est élevée on peut admettre que [ES] tend vers [Et] par phénomène de saturation
On a alors Vm = k3[Et] avec Vm la vitesse maximale de la réaction. En posant le rapport v/Vm, on obtient :
v/Vm = [ES]/[Et]
KM = [E][S]/[ES] = ([Et]-[ES])[S]/[ES] = [S]{[Et]/[ES]-1}
{KM/[S]} +1 = {KM +[S]} /[S] = [Et]/[ES]
KM +[S] /[S] = Vm/v
E + S ES E + P
k1 k3
E + S ES E + P
k2
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C’est l’équation de Michaëlis-Menten
Remarque : L'usage a consacré l'élision de l'indice i pour la vitesse (initiale) qui rappelait la condition d'approximation et aussi de l'indice 0 pour la concentration initiale de substrat [S]0. Ces deux conditions ne doivent jamais être oubliées lors de l'utilisation de l'équation ci-dessus.
7.2.2. Signification des constantes cinétiques
7.2.2.1. Vitesse maximale
Vm = k3[S]0 = kcat [E]0 est la vitesse maximale initiale v atteinte pour la concentration [E]0 et pour une concentration très grande de [S]0 devant KM :
Si [S] → ∞, V → Vm
La vitesse maximale est l'asymptote de la branche hyperbolique représentant l'équation de Michaëlis-Menten. Cette branche hyperbolique v = vi = f [(S]) est appelée courbe de saturation de l'enzyme par le substrat.
7.2.2.2. Constante catalytique
kcat (ou k3) est une constante de vitesse du premier ordre (unité s-1, c'est une fréquence). kcat représente la fréquence à laquelle l'enzyme accomplit l'acte catalytique (en anglais "turnover") lorsque l'enzyme est saturée en substrat (kcat = Vm/[E]0). 1/kcat est la durée d'un cycle catalytique lorsque l'enzyme est saturée en substrat. La valeur de kcat donne la mesure de l'efficacité de la catalyse par l'enzyme sur le substrat. Son unité est s-1.
7.2.2.3. Constante de Michaëlis
La constante de Michaëlis traduit l'affinité de l’enzyme pour le substrat. L'affinité de l’enzyme pour le substrat est d'autant plus grande que la valeur de la constante de Michaëlis est petite. KM est égal à la concentration de substrat pour laquelle la vitesse de la réaction est égale à la moitié de la vitesse maximale. Son unité est M.
7.2.2.4. Constante de spécificité
La constante catalytique kcat mesure l'efficacité de la catalyse par l'enzyme sur le substrat et la constante de Michaëlis mesure l'affinité de l'enzyme pour le substrat. Une enzyme peut avoir une très grande affinité mais avec une constante catalytique faible et inversement. L'un des deux paramètres ne suffit pas à caractériser le couple enzyme/substrat. C'est le rapport rsp = kcat/KM qui reflète la spécificité globale d'une enzyme vis à vis d'un substrat, appelé constante de spécificité. Son unité est s-1M-1.
Vm [S]
V =
KM + [S]
Vm [S]
V =
KM + [S]
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7.2.3. Facteurs physico-chimiques affectant la réaction enzymatique
7.2.3.1. Température
La température a deux effets antagonistes. Le premier est un effet activateur des molécules connu sous le terme de loi de Van’t Hoff (Prix Nobel de chimie, 1901). Le deuxième effet est la thermodénaturation à partir d’un seuil de température ; l’enzyme va progressivement perdre sa structure spatiale native et active par destruction des liaisons faibles.
Le suivi de la vitesse de la réaction en fonction de la température montre une courbe en cloche, résultant des deux effets opposés avec une température optimale (topt).
Variation de la vitesse d’une réaction enzymatique avec la température
7.2.3.2. pH
Les enzymes sont sensibles au pH du milieu réactionnel dans des zones et des gammes variables. Le pH intervient soit en modifiant l’ionisation du substrat ou des produits soit en modifiant l’ionisation de l’enzyme. Les enzymes ont un pH optimum d’activité qui peut être proche de la neutralité, acide ou basique.
Courbe de variation de l’activité d’une enzyme en fonction du pH
MAO : monoamine oxydase
7.2.3.3. Force ionique
La concentration en ions dans le milieu réactionnel joue un rôle quantitatif et qualitatif.
Rôle quantitatif : la force ionique d’un milieu est surtout apportée par les sels monovalents (NaCl, KCl) qui peuvent neutraliser totalement ou partiellement les charges opposées des résidus ionisables de l’enzyme. La solubilité des enzymes est maximale pour une concentration faible en sels neutres.
Rôle qualitatif : beaucoup d’enzymes requièrent de cations métalliques pour leur activité.
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7.2.4. Détermination des constantes cinétiques
Nombreuses sont les techniques physiques ou chimiques qui permettent de suivre les paramètres d'une cinétique (spectrophotométrie, fluorescence, titrimétrie, radioactivité, dosages immunologiques). Généralement, les expériences sont établies pour mesurer la variation de concentration du substrat ou du produit en fonction du temps et cela pour une concentration donnée d'enzyme et différentes valeurs de la concentration en substrat. La connaissance des valeurs de ces différents paramètres nous permet de déterminer les constantes cinétiques.
7.2.4.1. Mesure de la vitesse initiale
Pour une concentration d'enzyme donnée, on calcule la vitesse initiale pour une concentration de substrat totale donnée en traçant la courbe [P] = f(t) ou encore ([S]0 - [S]) = f(t).
Courbe (P) = f(t)
La vitesse initiale est la tangente d[P]/dt à la courbe [P] = f(t) au point t = 0. La dimension de la vitesse est une concentration par unité de temps (M.S-1). Toutefois, les biochimistes ont l'habitude de prendre comme unité des μmole/litre par minute (μM.min-1)
7.2.4.2. Représentation hyperbolique
A partir des résultats expérimentaux, mesure des vitesses initiales pour chaque concentration totale de substrat [S]0 , pour une concentration donnée d'enzyme, nous pouvons tracer v = f([S]0) qui est une hyperbole ; c’est la représentation de Michaëlis-Menten.
Courbe vi = f(S)
L'asymptote horizontale de l'hyperbole pour les grandes valeurs de [S]0 permet d'avoir la valeur de Vm et la valeur de KM qui est la valeur de [S]0 pour v = Vm/2.
7.2.4.3. Représentation de Lineweaver-Burk
C'est la représentation la plus utilisée qui fut publiée en 1935 par Han Lineweaver et Dean Burk {(1/v = f(1/[S])}.
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Représentation de Lineweaver-Burk
Cette représentation est une droite qui coupe l'axe des 1/v au point 1/Vm et l'axe des 1/[S] au point -1/KM.
7.2.4.4. Effecteurs des enzymes
On appelle effecteurs d’enzymes, des agents chimiques capables de modifier la cinétique d’une réaction enzymatique. On distingue les activateurs qui augmentent la vitesse de la réaction et les inhibiteurs qui la diminuent. Les activateurs des réactions enzymatiques sont des ions (Mg++, Zn++, Cl-, Ca++). Les inhibiteurs ont une diversité de mode d’action.
L’inhibition peut être réversible si l’effet disparaît après que l’effecteur soit éliminé (liaison faible avec l’enzyme facilement éliminable par simple dialyse ou diffusion) ou irréversible s’il persiste après son élimination (formation avec l’enzyme d’une liaison stable). L’inhibition réversible peut être compétitive ou non compétitive.
A. Inhibition compétitive
Elle est encore appelée inhibition par association exclusive. L’enzyme peut se fixer sur le substrat ou l’inhibiteur de façon réversible. Ce type d’inhibiteur entre en compétition avec le substrat pour le site actif de l’enzyme.
E + S ES E + P
+
La vitesse de la réaction est :
k1
k2
k3
EI
I
ki
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avec
ki = constante d’inhibition et [I] concentration en inhibiteur.
K’M supérieur à KM, l’affinité de l’enzyme pour le substrat est diminuée. Cette inhibition implique une analogie de structure entre le substrat et l’inhibiteur.
Représentation de Michaëlis-Menten de l’inhibition compétitive
Représentation de l’inhibition compétitive par la méthode des inverses
Vm [S]
V =
K’M + [S]
[I]
K’M = KM [1 + ]
ki
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B. Inhibition non compétitive
Elle est dite par association non exclusive. L’inhibiteur se fixe sur l’enzyme en un point distinct du site actif. Tout se passe comme si la présence de l’inhibiteur entraînait la diminution de la concentration en enzyme active.
E + S ES E + P
+ +
I I
EI + S EIS
La vitesse de la réaction s’écrit :
Représentation de Michaëlis-Menten de l’inhibition non compétitive
ki
k2
k1
k3
V’m [S]
V =
KM + [S]
Vm
V’m =
[I]
1 +
ki
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Représentation de l’inhibition non compétitive par la méthode des inverses
8. Enzymes allostériques
Le modèle des enzymes allostériques a été proposé par Monod, Wyman et Changeux.
Les enzymes allostériques sont de structure quaternaire, en général oligomériques, constituées d’un nombre pair de protomères ; tous les protomères ont la même conformation ; sur chaque protomère il existe un site identique de fixation du substrat.
Les enzymes allostériques existent sous deux états conformationnels, l’un ayant plus d’affinité que l’autre pour le substrat.
Il existe sur chaque protomère des sites de fixation pour les effecteurs (sites allostériques) ; l’effecteur allostérique peut être positif (tend à modifier l’allure sigmoïde en allure michaëlienne) ou au contraire négatif.
Lorsque l’effecteur se fixe sur le site allostérique, il s’en suit une modification de conformation appelée transition allostérique. Le modèle considère la liaison du substrat à l’un des deux états contraint (T : Tense) et relâché (R : Relaxed) de l’enzyme. La conformation T a une faible affinité pour le substrat alors que la conformation R a une forte affinité pour le substrat. La fixation du substrat sur l’enzyme augmente l’affinité de l’enzyme pour le substrat : c’est l’effet coopératif ; on parle de coopérativité.
Les enzymes présentent une cinétique non michaëlienne et la courbe v = f(S) est une sigmoïde.
Comparaison de la cinétique d’une enzyme allostérique à celle d’une enzyme michaëlienne
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9. Unités enzymatiques
9.1. Activité enzymatique
Encore appelée activité catalytique, cette unité a été définie pour estimer la quantité de l'activité catalytique d'une préparation ou d'un échantillon d'enzyme lorsque l'enzyme ne peut être définie que par rapport à son activité catalytique. Une unité d'activité enzymatique (abréviation UI ou UE) est définie comme la quantité d'enzyme qui produit la transformation d'une micromole de substrat par minute à 25 °C (μmole.min-1). La mesure de l'activité dans des conditions où [S]0 >> [E]0 et [S]0 >> KM permet de déterminer les quantités d'enzyme présentes dans des échantillons.
Remarque : dans le système international (SI), l'unité officielle est le katal (kat) : quantité d'enzyme qui catalyse la transformation d’une mole de substrat par seconde. Les biochimistes préfèrent utiliser les unités internationales (UI ou UE).
1 UI = 1 UE = 0,0166 μkat = 16,6 nkat
9.2. Activité enzymatique spécifique (AES)
Encore appelée activité catalytique spécifique, l’AES est l'activité d'une préparation d'enzyme, normalisée par unité de masse exprimée classiquement en mg ; c’est-à-dire micromole de substrat par minute par milligramme de l'échantillon (μmole.min-1.mg-1). Dans le cas d'un échantillon pur, et si la quantité d'enzyme est exprimée en μmole, on retrouve la constante catalytique, exprimée dans ce cas en (min-1).
10. Applications
10.1. Régulation de l’activité des enzymes
Il s’agit de la régulation métabolique qui a lieu au sein de la cellule. Trois types principaux de régulation sont connus.
10.1.1. Régulation allostérique
Dans ce type de régulation, l’enzyme est inhibée par ses produits de réaction (immédiats ou terminaux). Elle met en jeux de petites molécules formées dans la cellule qui influencent certaines activités enzymatiques sans modifier le site actif de l’enzyme.
10.1.2. Modifications covalentes
Il s’agit des phénomènes de phosphorylation/déphosphorylation enzymatiques le plus souvent sous l’influence des hormones, aboutissant à l’enclenchement ou l’extinction de l’activité enzymatique.
10.1.3. Expression des gènes
C’est l’induction ou la répression des gènes codant les enzymes. Ce phénomène est sous l’influence des hormones qui modifient la synthèse de certaines enzymes après action sur l’ADN.
10.2. Utilisation des enzymes
10.2.1. A des fins diagnostiques
La détermination de l’activité des enzymes sur des matrices adaptées permet d’aider au diagnostic de souffrance ou de lésion d’un organe. Elle est un élément capital de diagnostic des enzymopathies héréditaires.
10.2.2. Applications pharmacologiques
L’enzymothérapie substitutive, administration d’enzyme à un sujet présentant un déficit enzymatique, permet de traiter avec des résultats spectaculaires, les maladies héréditaires du métabolisme.
Les enzymes sont des cibles de certains médicaments :
- l’allopurinol analogue structural de l’hypoxanthine inhibe de façon compétitive la xanthine oxydase, donc la transformation des bases puriques en acide urique. D’où son utilisation dans le traitement des hyperuricémies ;
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- les statines, analogue structural de l’hydroxyméthyl glutarylcoenzyme A, sont des inhibiteurs compétitifs de l’hydroxyméthyl glutarylcoenzyme A réductase, utilisé dans le traitement des hypercholestérolémies ;
- l’acétazolamide, diurétique de l’anse, agit en inhibant de façon non compétitive l’anhydrase carbonique au niveau du rein ;
- Le 5-fluorouracile (5-FU), analogue structural de la thymine, est un inhibiteur de la thymidylate synthétase utilisé dans le traitement des cancers.
10.2.3. Dans l’industrie agroalimentaire
Depuis deux décennies, l’emploi des enzymes connais un succès remarquable et entrouvre des perspectives étonnantes : nombre de procédés classés comme « biotechnologie » reposent sur une exploitation des propriétés particulières des enzymes. En effet :
- la mise sur le marché d’enzymes purifiées a entraîné une explosion de nouvelles industries agro-alimentaires ;
- le principe des techniques de détection et d’analyse des substances dans les contrôles de qualité utilise la sensibilité et la spécificité enzymatiques.
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Biochimie générale (J.H. Wheil)
- Toute la biochimie (S. Weinman)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie illustrée (P. N. Campbell)
- Biochimie (N. Latruffe)
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STRUCTURE DES ACIDES
NUCLÉIQUES
Objectifs
1. Définir les acides nucléiques et décrire leurs rôles
2. Ecrire la structure des bases puriques et pyrimidiques, des nucléosides et nucléotides
3. Effectuer la nomenclature des nucléosides et nucléotides et donner le rôle des nucléotides 4. Ecrire
la structure covalente d’un oligonucléotide
5. Décrire l’action des endonucléases et exonucléases sur les acides nucléiques
6. Décrire le séquençage de l’ADN par la méthode de Sanger et le pyroséquençage
7. Décrire la structure tridimensionnelle des acides nucléiques
8. Décrire les propriétés physicochimiques de l’ADN et de l’ARN
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1. Définition
Les acides nucléiques sont des macromolécules constituées de nucléotides unis entre eux par des
liaisons phosphodiester ou diester phosphorique. Ce sont donc des polynucléotides.
Deux types d’acides nucléiques existent : l’acide ribonucléique (ARN) et l’acide désoxyribonucléique
(ADN).
2. Rôles
Les acides nucléiques jouent un rôle fondamental dans le support et la transmission de l’information
génétique : c’est le dogme central de la biologie moléculaire. En effet :
- l’information génétique qu’ils contiennent peut être transmise à la descendance par le
processus de la réplication, les acides nucléiques sont donc le support de l’hérédité ;
- cette information génétique peut servir à la synthèse protéique via la transcription et la
traduction.
Par ailleurs, les nucléotides entrent dans la structure de molécules importantes pour le métabolisme
intermédiaire comme l’ATP, certains coenzymes (NAD+, NADP+, FAD, Coenzyme A), l’UDP-glucose, le
CDP-choline, l’AMP cyclique...
3. Historique
En 1868, le biochimiste F. Miescher isola à partir des polynucléaires altérés du pus, une substance à
caractère acide et riche en phosphore qu’il nomma "nucléine". Altmann en 1899 donna le nom d’"acide
nucléique" à cette substance à caractère acide retrouvée dans toutes les cellules et tissus vivants. A
partir de 1900, les travaux se sont succédés et la composition des acides nucléiques fut peu à peu
élucidée. Le rôle des acides nucléiques fut évoqué avec les travaux d’Avery, Mac Leod et Mc Carty qui
ont démontré en 1944 que l’ADN contient l’information génétique. Les travaux de Chargaff, Wilkins,
Watson et Crick sur la structure des acides nucléiques ont révolutionnés la biochimie avec la création
d’une nouvelle branche, la biologie moléculaire.
4. Constituants des acides nucléiques
5.
4.1. Hydrolyse totale des acides nucléiques
L’hydrolyse totale d’un acide nucléique permet de desceller trois types de constituants : l’acide ortho
phosphorique, les pentoses et les bases hétérocycliques azotées. Les bases sont le support de
l’information génétique tandis que les pentoses et l’acide phosphorique ont un rôle structural.
4.1.1. Bases hétérocycliques azotées
Ce sont des dérivés oxygénés, aminés ou méthylés d’hétérocycles azotés répartis en deux groupes :
les bases pyrimidiques et les bases puriques.
4.1.1.1. Bases pyrimidiques
Elles dérivent de la pyrimidine. Les trois bases pyrimidiques majeures retrouvées dans les acides
nucléiques sont :
- la cytosine (2-hydroxy-4-amino pyrimidine) ;
Nucléase Phosphodiestérase Phosphatase alcaline Nucléosidase
ADN Oligonucléotides Mononucléotides Nucléosides Bases
ARN Acide phosphorique Sucres
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- la thymine (5-méthyluracile) ;
- l’uracile (2, 4-dihydroxy pyrimidine).
4.1.1.2. Bases puriques
Elles dérivent de la purine qui résulte de l’association de la pyrimidine avec un noyau imidazole. Les
bases puriques retrouvées dans les nucléotides sont :
- l’adénine (6 – amino-purine) ;
- la guanine (2 – amino – 6 – hydroxy-purine) ;
- l’hypoxanthine (6 – hydroxy-purine) qui joue un rôle important d’intermédiaire de synthèse de
l’adénine et de la guanine.
Thymine (T) Cytosine (C) Uracile (U)
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NB :
Un certain nombre de bases sont retrouvées dans les acides nucléiques en proportion peu importante.
Il s’agi de bases puriques et pyrimidiques méthylées ou hydroxylées comme la 5-méthyl cytosine, la
dihydro uracile et la pseudo uridine.
Les bases puriques et pyrimidiques ont les propriétés fondamentales suivantes :
- résistante à l’oxydation en raison du caractère aromatique ;
- absorption dans l’ultraviolet grâce au système de doubles liaisons conjuguées ;
- existence sous deux formes tautomères céto (lactame) et énol (lactime) en équilibre ; la forme
lactame étant la plus commune au pH physiologique.
Formes tautomères des bases
4.1.2. Pentoses
Il s’agit de deux aldopentoses : le D - ribose dans l’ARN et le 2 - Désoxy - D - ribose dans l’ADN. Dans
les acides nucléiques, ces deux sucres sont stabilisés sous forme cyclique furanique, le β - D -
ribofuranose et le 2 - Désoxy - β - D - ribofuranose.
Adénine (A) Guanine (G)
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Ces oses peuvent réagir avec d’autres composés dans des conditions bien déterminées pour donner
des substances colorées permettant la caractérisation des acides nucléiques. C’est le cas : de la
réaction de Bial à l’orcinol chlorhydrique qui donne une coloration verte avec le ribose et des réactions
de Feulgen à la fuchsine bisulfitée et de Dische à la diphénylanine sulfurique qui donnent
respectivement, en présence de 2-Désoxy-ribose, des colorations rose et bleue.
4.2. Nucléosides et nucléotides
L’hydrolyse ménagée des acides nucléiques conduit à deux types de dérivés : les nucléosides et les
nucléotides.
4.2.1. Nucléosides
4.2.1.1. Structure
Les nucléosides résultent de la combinaison entre une base par son azote numéro 1 (N1) pour les
pyrimidiques ou l’azote numéro 9 (N9) pour les puriques et un aldopentose par son hydroxyle porté par
le carbone numéro 1’, formant ainsi une liaison N-osidique ou N-glycosidique.
134 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
4.2.1.2. Nomenclature
Les nucléosides puriques ont un suffixe « osine » tandis que ceux pyrimidiques ont un suffixe « idine ».
Base Ribonucléoside Désoxyribonucléoside
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Hypoxanthine
Adénosine
Guanosine
Uridine
Cytidine
Ribothymidine+
Inosine
Désoxyadénosine
Désoxyguanosine
Désoxyuridine+
Désoxycytidine
Désoxythymidine
Désoxyinosine
4.2.2. Nucléotides
Ce sont des esters phosphoriques des nucléosides. Selon la nature du pentose on distingue les
ribonucléotides ou ribotides pour le ribose et les désoxyribonucléotides ou désoxyribotides pour le 2-
Désoxyribose.
4.2.2.1. Nucléosides monophosphate
Un ribonucléoside a trois positions susceptibles d’être phosphorylées (les hydroxyles des carbones 2’,
3’, 5’) tandis qu’un désoxyribonucléoside ne peut être phosphorylé qu’en deux endroits (en 3’ et en 5’). Il
existe en outre des nucléosides monophosphate cycliques où la molécule d’acide phosphorique
estérifie deux hydroxyles du pentose à la fois (OH en 2’ et 3’ ou en 3’ et 5’). Le plus important est
l’AMP cyclique qui intervient dans divers mécanismes de régulation.
A) Structure
Lorsqu’on ajoute un groupement phosphate à un nucléoside, on obtient le plus simple des nucléotides,
un nucléoside monophosphate ou mononucléotide. Le phosphate forme par élimination d’une
molécule d’eau, une liaison ester avec l’atome de carbone 5’ du sucre du nucléoside.
Adénosine 5’-monophosphate
(5’-AMP)
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B) Nomenclature des nucléosides-5’-monophosphate
La nomenclature des principaux nucléosides-5’-monophosphates est résumée dans le tableau cidessous
; mais il existe d’autres isomères désignés de façon identique en remplaçant simplement 5’ par
2’ ou 3’ respectivement.
Bases Ribonucléoside-5’-monophosphate Désoxyribonucléoside-5’-monophosphate
Adénine
Adénosine-5’-monophosphate (AMP)
ou acide-5’-adénylique
Désoxyadénosine-5’-monophosphate (dAMP)
ou acide-5’-désoxyadénylique
Guanine
Guanosine-5’-monophosphate (GMP)
ou acide-5’-guanylique
Désoxyguanosine-5’-monophosphate (dGMP)
ou acide-5-désoxyguanylique
Uracile
Uridine-5’-monophosphate (UMP)
ou acide-5-uridylique
Désoxyuridine-5’-monophosphate (dUMP)
ou acide-5-désoxyuridylique
Cytosine
Cytidine-5’-monophosphate (CMP)
ou acide-5’-cytidylique
Désoxycytidine-5’-monophosphate (dCMP)
ou acide-5’-désoxycytidylique
Thymine
Thymidine riboside-5’-monophosphate
(rare)
Désoxythymidine-5’-monophosphate (dTMP)
ou acide-5’-désoxythymidylique
4.2.2.2. Nucléosides diphosphate et triphosphate
A) Structure
Les nucléosides diphosphate et triphosphate sont formés par fixation de groupements phosphate
supplémentaires par l’intermédiaire de liaisons anhydride d’acide phosphorique, très riches en
énergie.
Tous les ribonucléosides et désoxyribonucléosides courants existent dans la cellule sous forme de
nucléoside-5’-diphosphate et de nucléoside-5’-triphosphate.
Adénosine- 3’, 5’ - monophosphate
cyclique (3’,5’-AMPc)
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B) Rôles
Outre leur rôle comme éléments structuraux de l’ADN et de l’ARN, les nucléotides sont indispensables
à presque tous les processus métaboliques :
- l’ATP est la forme d’énergie cellulaire universelle ; c’est un petit monnayeur d’énergie. Dans
certains processus, le GTP et ITP sont les fournisseurs d’énergie ;
- les nucléotides sont nécessaires à l’activation de diverses molécules : par exemples le glucose
est d’abord activé par l’UTP en uridine diphosphate-glucose (UDP-glucose) avant d’être
incorporé au polymère de glycogène ; la choline est activée par le CTP en cytidine
diphosphate-choline (CDP-choline) pour son incorporation dans les phospholipides.
- l’ATP peut être transformée par clivage d’une chaîne de deux phosphates (pyrophosphate), en
AMP cyclique, un second messager intracellulaire servant de médiateur à l’action de
nombreuses hormones hydrophiles.
UDP-Glucose
CDP-Choline
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5. Structure covalente des acides nucléiques
5.1. Représentation de la structure covalente (primaire) des acides nucléiques
Les acides nucléiques résultent de l’enchainement de nucléotides par des liaisons diester
phosphoriques ou phosphodiester 3’, 5’.
Les chaînes polynucléotidiques sont formées par des enchaînements où alternent pentose et
phosphate. Bien que les bases ne participent pas à l’enchaînement, leur séquence est utilisée pour
caractériser un acide nucléique. Par convention, les séquences d’acides nucléiques s’écrivent
toujours l’extrémité 5’ vers l’extrémité 3’.
Liaison phosphodiester
Il existe quatre façons schématiques de représenter la structure covalente des acides nucléiques :
- représentation de la double hélice d’ADN (pour l’ADN) ;
- représentation dans laquelle les pentoses sont matérialisés par traits verticaux, la liaison diester
phosphorique par des traits en diagonale avec le symbole P ou non et les bases aux extrémités
libres des traits verticaux ;
- représentation faisant apparaître la liaison phosphodiester et la nature du sucre (succession de
symboles P et des initiales des noms des bases : 5’-pApUpGp-3’ ou 5’-pdApdGpGpdT-3’) ;
- représentation par la séquence de bases (la plus utilisées : 5’-GATTCG-3’).
P P P P
A C G
5’ 5’ 5’
3’ 3’ 3’
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5.2. Dégradation des acides nucléotidique
La dégradation totale ou partielle des acides nucléiques, par voie chimique ou enzymatique, libère des
mononucléotides ou des oligonucléotides, par hydrolyse des liaisons phosphodiester.
5.2.1. Hydrolyse chimique
C’est une hydrolyse alcaline qui entraîne la rupture de toutes les liaisons diester phosphorique des
molécules d’ARN, conduisant à la libération des molécules de nucléosides -3’-phosphates et 2’-
phosphates.
Les ADN résistent à l’hydrolyse alcaline du fait de l’absence d’hydroxyle en position 2’.
5.2.2. Hydrolyse enzymatique
Elle est réalisée soit par des endonucléases, soit par des exonucléases.
5.2.2.1. Endonucléases
Elles sont de spécificité différente selon leur origine et coupent les liaisons diester phosphoriques à
l’intérieur de la chaîne polynucléotidique. On distingue les ribonucléases (RNases) spécifiques des
ARN et les désoxyribonucléases (DNases) spécifiques des ADN.
A) Ribonucléases
La RNase pancréatique rompt les liaisons entre les carbone 5’ et le phosphate dans des diesters où le
carbone 3’ fait partie d’un nucléotide pyrimidique (C, U). Les produits libérés sont phosphorylés en 3’.
CpApUpUpGpCpUp Cp + ApUp + Up + GpCp + Up
La RNase T1 rompt les liaisons entre le carbone 5’ et le phosphate dans des diesters où le
carbone 3’ fait partie d’un nucléotide guanylique (guanine).
pCpApGpUpUpCpGp pCpApGp + UpUpCpGp
La RNase T2 rompt les liaisons entre le carbone 5’ et le phosphate dans des diesters où le
carbone 3’ fait partie d’un nucléotide adénynylique (adénine).
pCpApGpUpUpCpGp pCpAp + GpUpUpCpGp
La RNase U2 rompt les liaisons diesters phosphoriques entre les carbone 5’ et le phosphate
dans des diesters où le carbone 3’ fait partie d’un nucléotide purique (A, G).
pCpApGpUpUpCpGp pCpAp + Gp + UpUpCpGp
B) Désoxyribonucléases
Les DNases ont une spécificité d’action beaucoup moins définie que celle des RNases. Deux
mécanismes d’action sont connus :
- mécanisme haplotomique (coupure d’une seule chaîne) ; cas de la DNase pancréatique ou
DNase I ;
- mécanisme diplotomique (coupure des deux chaînes) ; cas de la DNase de la rate ou DNase
II.
La DNase pancréatique libère des oligodésoxyribonucléotides -5’ alors que la DNase de la rate libère
les oligodésoxyribonucléotides-3’.
NB : Les enzymes de restriction de découverte récente constituent un outil précieux de l’étude des
séquences de l’ADN. Elles hydrolysent les deux brins de l’ADN au niveau de séquences
palindromiques qui sont des séquences complémentaires inversées.
139 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Le nom des enzymes de restriction comprend trois parties :
- la lettre majuscule de début qui évoque l’initial du nom du genre de l’être vivant d’où elle a été
extraite ;
- les deux lettres minuscules qui sont les deux premières lettres du nom de l’espèce de de
l’être vivant d’où elle a été extraite ;
- le chiffre romain qui désigne le numéro d’ordre d’identification.
Exemples :
- Eco R I : première enzyme de restriction isolée de Escherichia coli souche R Y13
- Hae III : troisième enzyme de restriction isolée de Haemophilus aegyptius
- Pst I : première enzyme de restriction isolée de Providetia sturtii
Le rôle biologique des enzymes de restriction est l’hydrolyse de l’ADN étranger qui pénètre dans la
cellule. In vitro, ces enzymes sont utilisées lors des expériences de recombinaison génétique.
5.2.2.2. Exonucléases
Ces enzymes hydrolysent les acides nucléiques à partir d’une des extrémités de la chaîne, libérant des
mononucléotides ; ce qui permet la dégradation séquentielle des oligonucléotides. Ce sont des
phosphodiesterases ne possédant pas de spécificité vis-à-vis des bases ou vis-à-vis des acides
nucléiques.
La phosphodiesterase du venin de serpent dégrade séquentiellement les poly et oligonucléotides en
commençant par l’extrémité portant le groupement hydroxyle 3’ libre. L’hydrolyse conduit à la libération
des mononucléotides 5’.
pCpApGpUpUpCpG pC + pA + pG + pU + pU + pC + pG
La phosphodiesterase de la rate attaque séquentiellement les poly et oligonucléotides à
partir de l’extrémité portant le groupement hydroxyle 5’ et conduit à la libération de
mononucléotides 3’.
CpApGpUpUpCpGp Cp + Ap + Gp + Up + Up +Cp + Gp
Les phosphatases alcalines détachent les groupements phosphate au niveau des extrémités.
5.2.3. Techniques de séquençage de l’ADN
Le séquençage de l’ADN permet de déterminer la succession linéaire des nucléotides constitutifs de sa
structure. Les deux techniques initiales sont la méthode chimique de Maxam et Gilbert et la méthode
140 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
enzymatique de Sanger. Plus récemment, apparaissent les méthodes de pyroséquençage et de
séquençage à haut débit.
5.2.3.1. Méthode chimique de Maxam et Gilbert
Première méthode de séquençage de l’ADN décrite par Maxam et Gilbert en 1976, elle est abandonnée
de nos jours. Son principe consiste à marquer l’extrémité 5’ d’un fragment d’ADN par du phosphore
radioactif (32P), puis à soumettre diverses aliquotes à différents réactifs chimiques permettant de
couper l’ADN au niveau de certaines bases spécifiques. L’identification des fragments permet ensuite
de déduire la séquence de l’ADN.
Cette méthode n’étant plus utilisée dans les laboratoires, elle ne sera pas développée dans cette leçon.
La méthode de Sanger, décrite dans les années soixante-dix utilise un principe qui est la base du
fonctionnement des séquenceurs. Dans un but pédagogique, cette méthode sera abordée.
5.2.3.2. Méthode de Sanger
Principe
Le principe de cette méthode repose sur l’utilisation des didésoxyribonucléosides triphosphate
(ddNTP) qui diffèrent des désoxyribonucléosides triphosphate (dNTP) par l’absence d’un groupement
hydroxyle en position 3’ du désoxyribose. On sait que la synthèse d’une chaîne polynucléotidique se fait
par addition d’un dNTP à l’extrémité 3’OH d’un fragment d’ADN. Si, dans une chaîne en cours de
croissance, on incorpore un ddNTP, le nucléotide suivant ne pourra plus s’incorporer : il y a blocage de
la synthèse. Donc la fixation du ddNTP sur le brin néoformé empêche la polymérase d’ajouter le
moindre nucléotide ; par conséquent, la synthèse du brin d’ADN s’arrête.
Eléments nécessaires
Pour faire le séquençage, les éléments suivants sont nécessaires :
- l’ADN à séquencer qui doit être préalablement dénaturé pour servir de matrice ;
- une amorce d’ADN, court fragment d’ADN simple brin (environ 20 nucléotides), complémentaire
de l’ADN à séquencer, permettant de fournir une extrémité 3’OH à la polymérase ;
- l’ADN polymérase qui permet de faire la synthèse du brin complémentaire au brin à séquencer ;
- un marqueur permettant de visualiser l’ADN néo synthétisé, radioactif ou fluorescent ;
- des dNTP : dATP, dGTP, dCTP, dTTP ;
- des ddNTP : ddATP, ddGTP, ddCTP, ddTTP.
Réaction de séquençage
Dans quatre tubes différents, on ajoute dans l’ordre les éléments comme le montre le tableau suivant :
Tube A Tube C Tube G Tube T
ADN à séquencer, simple brin
Amorce
dATP, dGTP, 32PdCTP, dTTP
ddATP ddCTP ddGTP ddTTP
ADN polymérase
Après incubation on arrête la réaction.
Migration et révélation des fragments
Les produits de la réaction sont déposés sur un gel d’électrophorèse en gel de polyacrylamide/urée. La
migration des petits fragments se fera plus rapidement que celle des grands fragments. Notons que
dans chacun des tubes, on ne trouve jamais de fragments de même taille.
Après migration, le gel est séché et mis en contact avec un film d’autoradiographie qui permet de
révéler la radioactivité.
141 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Lecture de la séquence
Le dépôt des échantillons étant en haut du gel, les petits fragments sont vers le bas et les grands vers
le haut. La lecture du gel du bas vers le haut nous donnera la séquence complémentaire de la matrice
avec une orientation 5’ → 3’ (voir figure suivante).
Autoradiographie d’une séquence d’ADN obtenue par la méthode de SANGER
5.2.3.3. Pyroséquençage
C’est une méthode de séquençage à haut débit ou nex-generation sequencing produisant des
millions de séquences en un temps court et à faible coût.
Il consiste à introduire dans le mélange réactionnel, les nucléotides les uns après les autres. Si le
nucléotide ajouté dans le milieu réactionnel correspond à celui attendu par la polymérase, il est
incorporé dans le brin d’ADN en cours de synthèse avec libération d’un pyrophosphate dont l’énergie
est convertie en lumière puis en un signal mesuré par un capteur. La hauteur du pic, proportionnelle à
l’intensité du signal lumineux, est à son tour proportionnelle au nombre de nucléotides incorporés en
même temps. Une apyrase dégrade les nucléotides non utilisés et un nouveau cycle recommence.
142 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Etapes du pyroséquençage
6. Structure tridimensionnelle des acides nucléiques
Les acides nucléiques sont présent dans toutes les cellules vivantes, soit libres, soit combinées à des
protéines pour former des nucléoprotéines.
L’ADN est retrouvé essentiellement dans le noyau des cellules eucarytes (végétales et animales) où il
est localisé au niveau des chromosomes ; mais ils existent également sous forme libre chez les
procaryotes (bactéries, algues bleues, certains virus à ADN), dans les mitochondries et les
chloroplastes.
L’ARN existe essentiellement dans le cytoplasme cellulaire et est particulièrement abondant dans les
cellules réalisant une importante synthèse protéique ; il constitue aussi le génome de certains virus.
6.1. ADN
Depuis sa découverte en 1869, l’ADN a fait l’objet de nombreux travaux. Ce n’est qu’en 1953 que
Watson et Crick proposèrent un modèle de structure tridimensionnelle basé sur un certain nombre de
faits expérimentaux qui rendent compte des diverses propriétés physico-chimiques de l’ADN.
A la fin des années 1940, les travaux sur la composition en bases de molécules d’ADN de sources
diverses effectués par Chargaff ont montré que le nombre de résidus adénine est égal au nombre de
résidus thymine (A = T) et le nombre de résidus guanine est égal au nombre de résidus cytosine (G =
C). La quantité de bases puriques est donc égale à la quantité de bases pyrimidiques (A + G = C + T).
Le rapport des purines sur pyrimidines est égal à 1. Le rapport [A +T] /[C + G] est caractéristique de
chaque espèce. Cette règle de Chargaff n’est valable que pour les molécules d’ADN duplex.
6.1.1. Structure secondaire de l’ADN (Modèle de WATSON et CRICK)
Selon ce modèle, la molécule d’ADN est composée de deux chaînes polynucléotidiques enroulées
autour d’un même axe pour former une double hélice. L’enroulement des chaînes a lieu dans le sens
des aiguilles d’une montre : l’hélice est dite droite. Les deux chaînes se déroulent dans des directions
opposées : elles sont antiparallèles.
Dans la forme B de l’ADN, les bases sont espacées de 3,4 Å (0,34 nm) et il y a dix (10) nucléotides par
tour d’hélice (un tour d’hélice = 34 Å). Le diamètre de l’hélice est de 2,4 nm.
1 Å = 10-10 m ou 1 Å = 10-4 μm.
Les paires de bases complémentaires A = T et C Ξ G sont unis par des liaisons hydrogènes et l’hélice
est stabilisée par des interactions hydrophobes entre les bases superposées à l’intérieur de l’hélice.
143 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Liaisons entre bases de la double hélice d’ADN
La longueur totale de l’ADN d’une cellule de mammifère est d’environ deux (02) mètres soit 5,5.109
paires de bases.
Double hélice d’ADN
Les deux brins de la double hélice ne sont pas symétriques par rapport à l’axe central ; ce qui détermine
deux sillons : un petit sillon ou sillon mineur et un grand sillon ou sillon majeur. Les interactions de
l’ADN avec les protéines de régulation se feront par l’intermédiaire du grand sillon.
144 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Si la forme B de l’ADN reste majoritaire dans les cellules, celui-ci peut localement adopter une autre
conformation appelée Z, à double hélice gauche. De même certains bactériophages ont un ADN
monocaténaire hélicoïdal.
Représentation de deux formes d’ADN
6.1.2. Structure tertiaire de l’ADN
C’est une superstructure de l’ADN déterminée par un surenroulement de la double hélice conduisant :
- soit à de l’ADN circulaire relâché (mitochondrie)
- soit à de l’ADN circulaire surenroulé ou superhélice (chromosomes)
Différentes structures tertiaires de l’ADN
Les topoisomérases sont des enzymes susceptibles de modifier la topologie (structure
tridimensionnelle) de l’ADN. On distingue les topoisomérases I qui ont pour rôle de dérouler l’ADN
d’un génome et les topoisomérases II qui permettent non seulement de démêler les enchevêtrements
d’ADN mais aussi de créer des surenroulements.
145 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
6.1.3. Propriétés physicochimiques de l’ADN
A pH physiologique, l’ADN est chargé négativement, charges dues aux groupements phosphate.
L’ADN est soluble dans l’eau mais insoluble dans l’alcool, ce qui permet sa précipitation par l’éthanol
ou l’isoropanol.
6.1.3.1. Absorption dans l’UV
Le spectre d’absorption d’une solution d’ADN met en évidence une large bande d’absorption dans l’UV
proche avec un maximum à 260 nm.
Spectre d’absorption dans l’ultraviolet des acides nucléiques
Application : Cette propriété optique est mise à profit pour le dosage et le contrôle de la pureté des
acides nucléiques. Le rapport de Warburg (absorbance 260/280 nm) varie de 1,8 à 2 pour une
solution d’ADN de pureté acceptable et de 2 à 2,2 pour une solution d’ARN de pureté acceptable.
6.1.3.2. Dénaturation de l’ADN
Elle peut être thermique ou alcaline.
Lorsqu’on chauffe l’ADN double brin, il se dénature pour donner de l’ADN monobrin ; il s’en suit une
diminution de la viscosité de la solution d’ADN. Le passage de l’ADN duplex à l’ADN simple brin
s’accompagne d’une augmentation de l’absorbance à 260 nm : c’est l’effet hyperchrome ou
hyperchromicité.
La dénaturation de l’ADN peut être suivie par la mesure de l’absorbance à 260 nm en fonction de la
température. La séparation des deux brins de l’ADN s’accompagne d’un changement des propriétés de
la solution (diminution de la viscosité) et a lieu dans un intervalle étroit de température. La température
de fusion (Tm) est donnée par le point correspondant à 50% de l’effet hyperchrome.
La Tm est directement influencée par la longueur de la molécule d’ADN, sa composition en bases et la
concentration en sels de la solution.
La dénaturation thermique de l’ADN est réversible lorsque la température retombe doucement.
Le traitement alcalin de l’ADN aboutit aussi à sa dénaturation par rupture des liaisons hydrogène entre
les bases appariées.
146 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
Courbe de dénaturation d’une molécule d’ADN
6.2. ARN
Les ARN sont des polymères de ribonucléotides. Les quatre principaux nucléotides qui les constituent :
AMP, GMP, CMP et UMP sont unis les uns aux autres par des liaisons diester phosphorique 3’ → 5’
comme dans l’ADN.
6.2.1. Structure tridimensionnelle de l’ARN
Les molécules d’ARN sont constituées par une seule chaîne polynucléotidique (sauf chez certains
virus) : on dit qu’elles sont monocaténaires. La chaîne d’ARN peut prendre par endroit une structure
pseudo hélicoïdale liée à un appariement entre adénine et uracile d’une part et entre guanine et
cytosine d’autre part de la même chaîne.
6.2.2. Différentes classes d’ARN
Trois grandes classes d’ARN sont retrouvées dans les cellules des animaux et végétaux et dans les
microorganismes : ARN de transfert (ARNt), ARN ribosomique (ARNr) et ARN messager (ARNm). Mais il
existe dans les cellules de petits ARN non codants.
6.2.2.1. ARN messagers
Ils sont constitués par une seule chaîne polynucléotidique de haut poids moléculaire et dont la
séquence de bases est complémentaire de celle de l’ADN (une partie d’un brin d’ADN). Ils représentent
1 à 5% des ARN totaux. Leur taille est très variable, entre 75 et 3000 nucléotides.
Chez les eucaryotes, les ARNm sont synthétisés par l’ARN polymérase II sous forme d’un précurseur
qui subit une maturation post-transcriptionnelle. On distingue trois régions principales dans la structure
primaire d’un ARN messager : la région 5’ non traduite (5’UTR) ; la région codante (ORF) ; la région 3’
non codante (3’UTR). Les deux régions non traduites contiennent souvent des signaux de régulation de
l’expression ou de la maturation de l’ARNm.
Structure d’un ARNm
147 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
6.2.2.2. ARN ribosomiques
Les ARNr s’associent aux protéines ribosomiques pour former les deux sous-unités du ribosome.
Représentent 80% des ARN totaux, ils participent à la traduction des ARNm.
6.2.2.3. ARN de transfert
Ce sont des molécules de poids moléculaire peu élevé, comportant entre 75 et 90 nucléotides environ.
Ils représentent 15% des ARN totaux et participent à la traduction en jouant le rôle d’adaptateur entre
l’ARNm et l’acide aminé. Environ 1/10ème des nucléotides des ARNt contiennent des bases modifiées
comme la pseudo-uridine, l’inosine, le dihydro-uridine, la ribo-thymidine, la méthyl-guanosine et la
méthyl-inosine.
La structure secondaire de l’ARNt en forme de trèfle fait apparaître la boucle anticodon nécessaire à
la reconnaissance de la séquence anticodon de l’ARNm.
La structure tertiaire en forme de L fait ressortir la boucle anticodon et l’extrémité 3’ porteuse de l’acide
aminé.
Schéma d’un ARN de transfert
6.2.2.4. Petits ARN non codants
Représentant 1% des ARN totaux, les petits ARN non codants sont synthétisés par l’ARN polymérase II
chez les eucaryotes. On distingue les :
- petits ARN nucléaires (ARNsn), de taille 100 à 200 nucléotides, participent à l’épissage de
l’ARNm dans le noyau ;
- petits ARN nucléolaires (ARNsno), présents dans les nucléoles, aident à la maturation de
l’ARNr ;
- ARN interférents (ARNi) et ARN micros (ARNmi) qui sont de petits ARN pouvant se lier
spécifiquement à une séquence d’ARNm induisant soit le clivage de cet ARNm, soit le blocage
de la traduction ; ils participent donc à la régulation de l’expression des gènes.
6.2.3. Propriétés des ARN
De structure proche de l’ADN, les ARN ont des propriétés physicochimiques communes avec l’ADN. La
différence de structure des ARN leur confère des propriétés qui leur sont propres.
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6.2.3.1. Instabilité chimique du ribose
L’hydroxyle en position 2 du ribose rend l’ARN sensible à l’hydrolyse alcaline, contrairement à l’ADN.
6.2.3.2. Propriété catalytique des ARN
Ce rôle est joué par les ribozymes, enzymes qui assurent le clivage des ARN.
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Biochimie générale (J.H. Wheil)
- Toute la biochimie (S. Weinman)
- Principe de biochimie (A. L. Lehninger)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie humaine (F. Horn)
- Biochimie (N. Latruffe)
- Biologie moléculaire (P. Luchetta)
149 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
LES VITAMINES ET COENZYMES
Objectifs
1. Définir vitamines et coenzymes
2. Effectuer la classification des vitamines et des coenzymes
3. Donner le nom, les principales sources, la forme active, le rôle et les signes de la carence de chaque
vitamine
4. Expliquer le rôle du 11-cis-rétinal dans la vision crépusculaire
4. Donner le nom, le mécanisme d’action et la vitamine d’origine de chaque coenzyme
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1. Vitamines
1.1. Définition
Les vitamines sont des substances à bas poids moléculaire, de nature chimique variée agissant à faible
dose et indispensables à l’organisme qui ne peut les synthétiser.
1.2. Classification
Il existe treize (13) vitamines qui peuvent être classées selon trois critères :
- le critère alphabétique distingue les vitamines A, B, C, D, E et K ;
- le critère de la solubilité ou physico-chimique distingue les vitamines liposolubles (vitamines
A, D, E, K) des vitamines hydrosolubles (vitamines B1, B2, B3 ou PP, B5, B6, B8, B9, B12 et la
vitamine C) ;
- selon le mécanisme d’action, on distingue les vitamines pseudo-hormonales (vitamines A et
D) et celles à mode d’action coenzymatique (impliquées dans les oxydoréductions et les
réactions de transfert de radicaux monocarbonés).
1.3. Etude sommaire de quelques vitamines
Molécules organiques sans valeurs énergétique, contenues dans les apports exogènes en faible
quantité mais indispensables à la croissance, au développement et à la bonne santé, les vitamines sont
les précurseurs de la plupart des coenzymes.
Les vitamines permettent d’assurer le développement harmonieux de l’organisme.
Les besoins en vitamines doivent être couverts par les apports alimentaires dans le cadre d’une
alimentation équilibrée. Ces apports nutritionnels recommandés varient selon l’âge, le sexe, l’activité et
le mode de vie, l’état physiologique. Ainsi, le nouveau-né, le nourrisson, l’enfant, l’adolescent, la femme
enceinte les personnes d’âge avancé, l’alcoolique et le tabagique nécessitent des apports plus élevés.
Ces apports élevés sont aussi nécessaires pour les malades chroniques, les travailleurs faisant usage
de la force, les sportifs de haut niveau.
L’absorption des vitamines hydrosolubles se fait par transport actif ou par diffusion passive dans
l’intestin proximal. La vitamine B12 est absorbée au niveau de l’iléon terminal. L’absorption des
vitamines liposolubles est fortement liée à celle des lipides.
Les vitamines subissent souvent une transformation en leur forme active avant de remplir leur fonction.
La vitamine C fait exception car elle est absorbée sous sa forme active biologiquement.
Le transport plasmatique des vitamines se fait sous forme libre ou liée.
Le foie est l’organe majeur de stockage des vitamines. Contrairement aux vitamines liposolubles qui ont
un stockage prolongé, les vitamines hydrosolubles, à l’exception de la vitamine B12, ne sont pas
stockées de manière prolongée. Les vitamines C et B1 ne sont pas stockées ; un apport régulier est
donc indispensable. La vitamine B12 peut être stockée en grande quantité dans le foie.
L’excrétion des vitamines hydrosolubles se fait par voie urinaire en cas d’excès. Certaines vitamines
ont une excrétion biliaire, lactée ou par desquamation.
L’insuffisance d’apport vitaminique est responsable d’avitaminoses qui sont des carences
vitaminiques, évitables par une alimentation équilibrée. A l’opposé, la surcharge en vitamines surtout
liposolubles dans l’organisme peut être nocive ; c’est le cas de la vitamine D dont la surcharge donne la
néphrocalcinose.
1.3.1. Vitamines hydrosolubles
1.3.1.1. Vitamines du groupe B
Vitamine B1 ou thiamine ou aneurine ou vitamine antibéribérique
Elle est constituée d’un cycle pyrimidine et d’un cycle thiazole, reliés entre eux par un pont méthylène.
Ses sources sont la synthèse par le microbiote intestinal, les abats, les germes de céréales, la levure
de bière. Les apports nutritionnels journaliers recommandés sont de 0,3-1,5 mg. Sa forme active est le
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thiamine pyrophosphate (TPP). Elle diffuse dans tous les tissus sans stockage, ce qui explique la
carence à un moindre trouble d’absorption. Son élimination se fait par voie rénale.
La carence en thiamine donne le béribéri.
Vitamine B2
Encore appelée riboflavine, la vitamine B2 est composée d’un noyau à trois cycles, le noyau flavine
associé au ribitol. Vitamine largement répandue, ses sources alimentaires sont variables : levure,
abats, lait, blanc d’oeuf, poisson, légumes verts. Les apports nutritionnels recommandés sont 0,5-1,8
mg/jour. Son stockage se fait dans tous les tissus où elle est convertie en FMN et FAD, forme active
de la vitamine B2. Son élimination est urinaire et lactée.
Chez l’homme, la carence en riboflavine se manifeste par une symptomatologie frustre : dermatite,
glossite, lésions cornéennes, retard de croissance, anémie.
Vitamine B3 ou vitamine PP ou niacine ou encore vitamine antipellagreuse
Elle englobe l’acide nicotinique, le nicotinamide ainsi que tous les dérivés qui peuvent être transformés
in-vivo en composés biologiquement actifs. Elle a une origine exogène (apports alimentaires, synthèse
par le microbiote intestinal) et une origine endogène (synthétisée chez l’homme à partir du tryptophane)
c’est donc une pseudo vitamine. Les sources alimentaires de la niacine sont les céréales, les abats,
les poissons. Les besoins journaliers sont de 5-20 mg. Elle est stockée dans tous les tissus,
principalement le foie. Elle est précurseur des coenzymes nicotiniques NAD+ et NADP+. Son
élimination est urinaire sous forme conjuguée à la glycine.
La carence en niacine donne la pellagre qui se manifeste par une dermatose photosensible, des
troubles digestifs et des troubles psychiatriques.
Vitamine B5 ou acide pantothénique
Elle est constituée de l’association acide pantoïque et β-alanine. Sources : Elle est synthétisée par le
microbiote intestinal et retrouvée dans la levure, les céréales, les abats, et l’oeuf. Les besoins
journaliers sont de 2-10 mg. La vitamine B5 est le précurseur du coenzyme A, une véritable plaque
tournante du métabolisme cellulaire.
Sa carence est exceptionnelle et se manifeste par une alopécie, des ulcérations cutanées, une
duodénite et des ulcères duodénaux.
Vitamine B6 ou pyridoxine
Le terme générique de vitamine B6 englobe trois composés apparentés : la pyridoxine, le pyridoxal et la
pyridoxamine. Tous les trois peuvent être transformés enzymatiquement en phosphate de pyridoxal,
qui est la forme biologiquement active de la vitamine. Les sources de la pyridoxine sont la synthèse
par le microbiote intestinal, les abats, les germes de céréales, les levures de bière, les végétaux. Les
besoins journaliers sont de 0,6-2,2 mg. Elle est stockée dans le foie. Son élimination est urinaire.
La carence en vitamine B6 donne une anémie et des troubles neurologiques.
Vitamine B8 ou biotine
C’est une vitamine qui doit son nom du fait qu’elle est un des facteurs «bios » nécessaire à la
croissance des levures. Elle est constituée par la fusion de deux cycles : un cycle imidazolidine et un
cycle tétrahydrothiofène. Sources : La vitamine B8 est formée par synthèse chez les végétaux et le
microbiote intestinal. Elle est retrouvée dans le jaune d’oeuf. Les besoins journaliers sont 35-300 μg.
Elle est répartie dans tous les tissus et stockée dans le foie. Son élimination est rénale. La biotine est le
coenzyme des carboxylases qui catalysent l’incorporation du CO2 dans les substrats. Elle est inhibée
par l’avidine du blanc d’oeuf.
La carence en biotine se manifeste par l’hyperséborrhée, une dermatose et des troubles nerveux.
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Vitamine B9 ou acide folique
Groupes de composés synthétisés par les plantes et les micro-organismes, le terme d’acide folique
désigne un facteur nutritionnel trouvé en grande quantité dans la feuille d’épinard (folios) nécessaire à
la croissance du streptocoque. Il s’agit de l’acide ptéroyl glutamique constitué d’acide para amino
benzoïque et d’acide glutamique. Les sources alimentaires de l’acide folique sont les végétaux
(légumes verts, épinard, salade), les abats (foie). Les apports journaliers recommandés sont 30-400
μg. Elle est stockée dans le foie et ses formes actives sont le dihydrofolate et le tétrahydrofolate.
Elle intervient dans l’hématopoïèse et le développement du tube neural.
Sa carence donne une anémie macrocytaire et des anomalies de fermeture du tube neural.
Vitamine B12 ou cobalamine
Elle appartient à un groupe de composés complexes, les corrinoïdes. On distingue la cyanocobalamine,
l’hydroxycobalamine, la méthylcobalamine et l’adénosylcobalamine. La cobalamine est produite par le
microbiote intestinal. On la retrouve aussi dans les poissons, les abats, le foie. Elle est absente dans
les végétaux ; donc les végétariens stricts risquent des carences. Les besoins journaliers sont de 0,5-5
μg. Elle est répartie dans tous les tissus et stockée dans le foie. Son élimination se fait par la bile, les
urines, les sécrétions et la desquamation. Elle intervient dans le renouvellement cellulaire via la
synthèse d’ADN et dans la synthèse de myéline.
Sa carence donne une anémie mégaloblastique (anémie de Biermer) qui se manifeste par des troubles
neurologiques et des troubles cutanés, muqueux et phanériens.
1.3.1.2. Vitamine C
Encore appelée acide L-ascorbique ou vitamine anti scorbut, la vitamine C comporte un cycle
lactone, une fonction cétone, une fonction ènediol et deux fonctions alcools. Ses sources alimentaires
sont les fruits et agrumes frais, les légumes frais (épinard, choux…). Les apports journaliers
recommandés sont de 60-120 mg. Sa distribution se fait dans tous les tissus périphériques et elle n’est
pas mise en réserve. Son élimination est urinaire sous forme d’oxalate. Elle a un rôle antioxydant, de
cofacteur d’hydroxylation, d’activation de certains gènes.
La carence en vitamine C donne le scorbut, maladie n’ayant plus qu’un intérêt historique.
1.3.2. Vitamines liposolubles
1.3.2.1. Vitamine A
C’est un alcool isoprénique composé d’un cycle β-ionone et d’une chaîne isoprénique, représenté par le
all-trans rétinol. La forme habituelle de cette vitamine est le rétinol, les autres formes (rétinal et acide
rétinoïque) sont appelées vitamères (isoformes d’une vitamine).
Sources : La vitamine A est apportée par l’alimentation sous forme de rétinyl ester. L’alimentation
animale (carnée) apporte le rétinol sous forme estérifiée avec des acides gras. Dans les végétaux on
trouve le carotène, précurseur du rétinol. Les sources animales sont constituées par les abats, le foie de
poisson ou de veau, les huiles de poisson, le beurre. Quant aux sources végétales, elles sont faites de
carottes, tomates, huiles de palme… Les besoins journaliers en vitamine A chez l’adulte sont de 1000
μg soit 3300 UI.
Dans le foie, le rétinol est stocké dans les cellules de Ito sous forme de rétinyl ester. En cas de besoin,
le rétinol est libéré dans la circulation sanguine et se lie à la retinol binding protein (RBP). Le complexe
RBP-rétinol se lie à son tour à la transthyrétine pour former un complexe RBP-transthyrétine-rétinol qui
est reconnu par les récepteurs d’endocytose des cellules cibles où une fois dans le cytoplasme, le
rétinol subit deux oxydations successives pour donner l’acide rétinoïque qui va activer la transcription
des gènes cible. Ces gènes sont nombreux et impliqués dans le cycle cellulaire et la différenciation
cellulaire.
153 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
L’acide rétinoïque a un rôle dans l’embryogenèse, la différenciation tissulaire, la différenciation
muqueuse et cutanée chez l’adulte.
Le rôle du 11-Cis rétinal au niveau des cellules à bâtonnets de la rétine est capital dans la vision
crépusculaire. En effet, l’adaptation à l’obscurité est un phénomène physicochimique lié à la présence
dans les cellules à bâtonnets de la rétine d’un pigment photosensible, la rhodopsine (opsine + 11-Cis
rétinal), dont la décomposition par la lumière de faible intensité déclenche un influx nerveux qui se
propage vers les centres de la vision.
11-Cis rétinal Rhodopsine
2H+,2e- Opsine
Déshydrogénase 11-Trans rétinal
2H+, 2e- Déshydrogénase
11-Cis rétinol 11-Trans rétinol
Isomérase
Schéma montrant l’implication du 11-cis rétinal dans la vision crépusculaire
Le rétinyl phosphate, forme active du rétinol, joue un rôle important dans la glycosylation de protéines.
La carence en vitamine A se manifeste :
- au niveau de la peau par l’hyperkératose qui est un épaississement de la couche cornée de
l’épiderme ;
- au niveau de l’oeil par :
o l’héméralopie : défaut d’adaptation à l’obscurité
o la xérophtalmie : épiderimisation de la conjonctive et de la cornée.
1.3.2.2. Vitamines D
Encore appelée calciférol, les vitamines D existent sous deux formes principales selon son origine : le
cholécalciférol (vitamine D3) d’origine animale et l’ergocalciférol (vitamine D2) dans le règne
végétal. Les sources animales sont les huiles de poisson, les abats, les oeufs ; celles végétales sont
représentées par les céréales. Les besoins journaliers sont de 10 μg.
Le calciférol est une pseudo vitamine qui peut être synthétisée dans l’organisme à partir du 7-
déhydrocholestérol cutané qui subit une ouverture du cycle sous l’action des rayons ultra-violets du
soleil pour donner le cholécalciférol. C’est une voie d’apport prioritaire pour l’organisme.
Le calciférol subit des transformations dans l’organisme, aboutissant à sa forme active. En effet, dans le
foie, il est hydroxylé par une 25-α-hydroxylase pour donner le 25-α-hydroxy calciférol qui est pris en
charge par une protéine de transport spécifique, la DBP (vitamine D Binding Protein) qui la véhicule au
rein. Dans le rein, l’action de la 1-α-hydroxylase conduit à la 1,25-α-dihydroxy calciférol, forme active de
la vitamine D. Au niveau du rein, une 24-hydroxylase peut intervenir en cas d’excès de la vitamine D ;
c’est un mécanisme de régulation qui aboutit à la formation de la 24,25-α-dihydroxy calciférol
possédant une activité très faible mais pas nulle.
Les vitamines D jouent plusieurs rôles :
- différenciation cellulaire : favorise la transformation des ostéoblastes en ostéoclastes ;
Influx nerveux
nerveux
Photons
154 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
- action sur des gènes codant pour des protéines de liaison du calcium : l’ostéocalcine, la
Calcium Binding Protein (CaBP) ;
- rôle important dans la maturation, la croissance et la différenciation du tissu osseux ;
- elle a un rôle immunomodulateur .
La carence en vitamines D donne le rachitisme chez l’enfant et l’ostéomalacie chez l’adulte. En lien
avec l’immunité, le déficit en vitamine D est responsable de la susceptibilité aux infections virales
comme la COVID-19.
1.3.2.3. Vitamine E
Encore appelée tocophérol, la vitamine E est composée du tocol ou tocotriénol avec une chaîne
isoprénique latérale saturée. Le nombre de radicaux méthyles en position 5, 7 et 8 du noyau chromane
détermine la lettre grecque utilisée comme préfixe (α, β, γ, δ). Sources : Elle est issue des végétaux,
germes de céréale, légumes verts. Les apports nutritionnels conseillés sont de 3-15 mg/jour. Elle est
stockée essentiellement dans le tissu adipeux et le foie ; mais tous les tissus en contiennent en faible
quantité. Etant une molécule lipophile, elle se localise préférentiellement au niveau des membranes
plasmiques lui permettant de jouer son rôle antioxydant. L’élimination se fait dans la bile sous forme
libre mais aussi par les urines sous forme glycuro-conjuguée. La vitamine E a plusieurs rôles :
- effets antioxydants permettant l’élimination de radicaux libres oxygénés et donc la protection
des membranes cellulaires ;
- maintien à l’état réduit du sélénium qui constitue le coeur actif de la glutathion réductase,
enzyme permettant de conserver le glutathion à l’état réduit.
Dans les pays du tiers-monde, la carence en vitamine E s’intègre toujours dans un contexte de carence
multiple où le déficit en vitamine E ne donne pas lieu à une symptomatologie autonome clairement
identifiable.
Les manifestations de carence en vitamine E les plus fréquentes sont l’anémie hémolytique chez le
nouveau-né prématuré et le syndrome neurodégénératif.
1.3.2.4. Vitamines K
Elles ont en commun le noyau 2-méthyl-1,4-naphtoquinone et existent sous deux formes : naturelles et
synthétiques.
Les formes naturelles sont :
la vitamine K1 appelée phylloquinone ou phytométadione issue des végétaux ;
la vitamine K2 ou ménaquinone, issue de la synthèse bactérienne (microbiote
intestinal) et qui représente la principale forme de stockage chez l’homme et
l’animal.
Les formes synthétiques sont sans chaîne latérale et sont représentées par la vitamine K3 ou
ménadione et la vitamine K4 ou ménadiol.
Les sources de vitamine K pour l’homme sont les végétaux (légumes verts, tomates), les abats, le
microbiote. Les apports nutritionnels journaliers recommandés chez l’adulte sont de 70-140 μg. La
vitamine K est stockée dans le foie mais on la retrouve aussi dans d’autres tissus comme le muscle et
l’os. Son élimination est biliaire et urinaire.
La vitamine K intervient dans plusieurs processus :
- dans la coagulation sanguine, la vitamine K joue le rôle de coenzyme de la γ-
carboxytransférase, enzyme assurant une réaction de γ-carboxylation de l’acide aspartique au
niveau de certaines protéines à savoir :
les protéines de la coagulation (appelées facteurs vitamino-K dépendant)
synthétisées par le foie ; il s’agit de la prothrombine (facteur II), de la proconvertine
(facteur VII), du facteur anti-hémophilique B (facteur IX), et du facteur Stuart
(facteur X) ;
155 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
les protéines inhibitrices physiologiques de la coagulation : protéine C, protéine S ;
- dans le tissu osseux, la vitamine K intervient dans la γ-carboxylation de l’ostéocalcine, protéine
permettant la fixation du calcium.
La carence en vitamine K donne une hypocoagulabilité qui se traduit par un syndrome hémorragique.
Chez le sujet présentant une obstruction des voies biliaires (cholestase), la vitamine K n’est pas
absorbée et on observe une hypoprothrombinémie. Le nouveau-né ayant des réserves limitées en
vitamine K, une immaturité hépatique et un microbiote insignifiant présente le risque d’un syndrome
hémorragique que l’on prévient par administration de vitamine K1. En thérapeutique dans les
hypercoagulabilités on utilise des anti-vitamines K qui inhibent le processus de γ-carboxylation.
2. Coenzymes
2.1. Définitions
Etymologiquement le mot coenzyme signifie « avec les enzymes ».
Les coenzymes sont de petites molécules organiques ou non liées à l’apoprotéine et indispensables à
l’activité de l’enzyme.
Lorsque la molécule de coenzyme n’est pas organique, elle est un ion et on l’appelle coenzyme
métallique.
La plupart des coenzymes dérivent des vitamines.
2.2. Classification
On différencie les coenzymes vrais ou transporteurs qui forment une liaison plus ou moins labile avec
l’apoenzyme des coenzymes activateurs ou groupements prosthétiques qui sont fortement liés à
l’apoenzyme. Selon le mécanisme d’action, on distingue deux grands groupes de coenzymes : les
coenzymes des réactions d’oxydoréduction et les coenzymes des réactions de transfert des
groupements.
2.3. Caractéristiques générales des coenzymes
2.3.1. Propriétés générales des coenzymes
Les coenzymes possèdent des propriétés communes liées à leurs groupements prosthétiques et au
caractère spécifique du cosubstrat.
Tous les coenzymes présentent des caractères communs que sont :
- leur nature : les coenzymes ne sont pas de nature protéique comme l’apoenzyme ;
- leur poids moléculaire : ce sont des composés de petit poids moléculaire ;
- leur stabilité thermique : ils sont thermostables ;
- leur mode d’action : les coenzymes réagissent molécule à molécule dans la réaction avec le
substrat initial ;
- leur responsabilité dans la réaction : les coenzymes ne sont pas responsables de la spécificité
de la réaction enzymatique. Par exemple le phosphate de pyridoxal peut servir de coenzyme à des
apoenzymes diverses comme les aminotransférases (pour le transfert du NH2), les décarboxylases
(pour le départ du CO2), et les lyases et synthétases (au cours des réactions de dégradation et de
synthèse) ;
- leur devenir : après une ou plusieurs réactions, le coenzyme est régénéré ;
- leur origine : la plupart des coenzymes ont pour origine les vitamines.
2.3.2. Caractères propres aux groupements prosthétiques
Le groupement prosthétique est lié à l’apoenzyme par des liaisons covalentes. Fixé à l’enzyme, il est
disposé dans l’espace de manière à réagir dans les meilleures conditions avec le véritable substrat. Le
groupement prosthétique fonctionne dans le cadre d’une réaction unique après laquelle une seconde
réaction permet sa reconstitution sous sa forme initiale. Il satisfait ainsi aux critères de réutilisation
après chaque cycle de réaction.
156 Syllabus de cours licence 1 ; ECUE : Biochimie Structurale ; Pr Moutawakilou GOMINA ; ©UER Biochimie
2.3.3. Caractères spécifiques des cosubstrats
Le cosubstrat est lié faiblement à l’apoenzyme. Une simple dialyse l’en détache très facilement. Il ne se
retrouve jamais à l’état initial après la réaction.
2.4. Etude sommaire des coenzymes
2.4.1. Coenzymes des réactions d’oxydoréduction
Groupe Nom du coenzyme Mécanisme d’action Vitamine d’origine
Coenzymes des
réactions
d’oxydoréduction
Coenzyme nicotinique :
- Nicotinamide adénine
dinucléotide (NAD+)
- Nicotinamide adénine
dinucléotide phosphate
(NADP+)
Transfert de deux
protons et de deux
électrons
Vitamine B3 ou
vitamine PP ou niacine
Coenzyme flavinique :
- Flavine adénine
dinucléotide (FAD)
- Flavine mononucléotide
(FMN)
Transfert de deux
protons et de deux
électrons
Vitamine B2 ou
riboflavine
Coenzyme Q ou
ubiquinone
Transfert de deux
protons et de deux
électrons
- Vitamine E ou
tocophérol
- Vitamines K
Coenzymes métalliques Transfert d’électrons Néant
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2.4.2. Coenzyme des réactions de transfert de groupements
Groupe Nom du coenzyme Mécanisme d’action Vitamine d’origine
Coenzymes des
réactions de
transfert de
groupements
Coenzyme A d’acylation
de LIPMANN et KAPLAN
Transfert de
groupements acyles
Vitamine B5 ou acide
panthoténique
Acide tétrahydrofolique
Transfert de
groupements
monocarbonés sauf le
CO2
Vitamine B9 ou acide
folique
Biotine - Carboxylation
- Transcarboxylation
Vitamine B8 ou
vitamine H ou biotine
Thiamine pyrophosphate
-Décarboxylation
oxydative des acides α-
cétoniques
-Transfert des résidus
α–hydroxyacyl, aldol,
cétol
Vitamine B1 ou
thiamine ou aneurine
Phosphate de pyridoxal
Transamination et
décarboxylation des
acides aminés
Vitamine B6 ou
pyridoxine
Dérivés de la cobalamine - Transméthylation
- Isomérisation
Vitamine B12 ou
cobalamine
Acide lipoïque
Décarboxylation
oxydative des acides α-
cétoniques
Nant
Adénosine triphosphate
Transfert de groupes
orthophosphoriques,
pyrophosphate,
adénosyle, AMP
Néant
Références bibliographiques
Pour en savoir plus, veuillez consulter les ouvrages suivants :
- Biochimie générale (J.H. Wheil)
- Biochimie structurale (P. Louisot)
- Biochimie de Harper (R. K. Murray)
- Biochimie illustrée (P. N. Campbell)