Chapitre 1: La logique moléculaire des être vivants

DEUG SV2
Année universitaire 2002-2003
Cours de Biochimie Structurale
Chap 1: La logique moléculaire
des êtres vivants
Jacques C. BARATTI
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Chapitre 1 § 1 :
Introduction
• Les êtres vivants sont particuliers
– ils sont composés de molécules "sans vie"
– ces molécules obéissent aux lois de la physique et de
la chimie
– cependant les organismes vivants possèdent des
propriétés "extraordinaires" que ne possèdent pas
les molécules inanimées
• Dans ce chapitre
– examen des propriétés particulières des être vivants
– survol rapide des biomolécules cellulaires
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Chapitre 1 § 2.1 :
Les propriétés particulières
Elles sont au nombre de 4 :
– composition complexe et fortement organisée
– chaque composant possède une fonction spécifique
– extraction, transformation et utilisation de l'énergie
issue de l'environnement
– capacité d'auto reproduction
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière
vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Question :
Qu'est-ce qui confère aux être vivants
leurs propriétés particulières ?
Au Moyen Age
– théorie du "vitalisme": une force vitale d'origine divine ou
mystérieuse conférait aux bio molécules leurs propriétés
particulières
Aujourd'hui
– recherche d'une explication rationnelle
– la biochimie est l'étude des biomolécules et de leur
fonctionnement , elle constitue la logique moléculaire des
êtres vivants
La Biochimie c'est aussi
• L’élucidation des mécanismes essentiels de la vie
• L’orientation de la médecine
• L’explication de phénomènes de plus en plus
complexes
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Chapitre 1 § 2.3 :
Complexité et simplicité
• Grande complexité de structures différentes
– chez la bactérie E. coli: 5.000 molécules dont 3.000
protéines
– chez l'homme: 30.000 protéines ?
• Simplicité par éléments de bases identiques
– 20 acides aminés
– 4 nucléotides
• Une cellule est caractérisée par
– son ADN
– ses protéines
Chapitre 1 § 2.3 :
Échanges d'énergie et de matière
• Les être vivants tirent leur énergie de leur environnement
• Énergie solaire fixée par les plantes et certaines bactéries
– fixation du gaz carbone et synthèse de molécules
carbonées
– libération d'oxygène
• Énergie chimique des composés organiques
– amidon ou cellulose
– consommation d'oxygène et libération de gaz carbonique
Chapitre 1 § 2.3 :
Les enzymes accélèrent fortement
les réactions chimiques cellulaires
• Le métabolisme cellulaire (anabolisme et catabolisme)
est catalysé par des enzymes
• Les enzymes sont des catalyseurs très efficaces
• Les réactions du métabolisme sont fortement régulées
Chapitre 1 § 2.3 :
Les cellules stockent l'énergie sous
forme chimique
• L'énergie est stockée dans des molécules chimiques
possédant des liaisons "riches en énergie"
• L'ATP est une de ces molécules synthétisées par
– catabolisme cellulaire
– phosphorylation oxydative (mitochondrie ou chloroplastes)
• Le glycogène ou l'amidon sont des réserves énergétiques
cellulaires
Chapitre 1 § 2.3 :
Les êtres vivants s'auto répliquent
fidèlement
• L'information génétique est porté par l'ADN
• La stabilité de l'information génétique est due à la
structure en double brin de l'ADN
• L'information linéaire de l'ADN code aussi pour la
structure tridimensionnelle des protéines
Chapitre 1 § 2.3 :
Qui traitera quoi ?
• Le cours de Biologie cellulaire (2ème semestre)
traitera la structure et le fonctionnement cellulaire
• Le cours de Génétique (2ème semestre) traitera de la
fonction des acides nucléiques
• Pour ce cours de Biochimie revoir les bases de chimie
organique (la partie oses simples et disaccharides
sera traitée en chimie par A. Samat)
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière
vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires.
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Chapitre 1 § 2.4 :
Connaître des ordres de grandeur
• Les longueurs:
– mètre :
m
– millimètre :
mm = 10-3 m
– micromètre :
µm = 10-6 m
– nanomètre :
nm = 10-9 m
– Angstrom :
Å = 10-10 m d'ou 1 nm = 10 Å
Dimensions des molécules biologiques
Atomes
Molécules
Liaison C-C
Macro-Molécules
Hemoglobine
Glucose
1Å
10-10 m
10 Å
10-9 m
1 nm
Organites
Limite de résolution
du microscope
optique
Ribosome
102 Å
10-8 m
Cellules
Globule rouge
Bactérie
103 Å
10-7 m
104 Å
10-6 m
1 µm
105 Å
10-5 m
Échelle des temps
Mouvement moléculaire interne
dans les protéines
Premier évènement
Déroulement de l'hélice Réaction catalysée
de la vision
par une enzyme
de l'ADN
10-12 s
ps
10-9 s
ns
10-6 s
µs
10-3 s
ms
Naissance d'une
bactérie
Synthèse d'une
protéine
1s
103 s
Échelle des énergies
ATP
Énergie thermique
Kcal/mole
kJ/mole 1
Liaison non
covalente
1
Glucose
Lumière
verte
10
10
Liaison C-C
100
100
1.000
1.000
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Chapitre 1 § 3 :
Si toutes les cellules possèdent les
mêmes molécules de base
On peut alors poser deux questions :
• Quels éléments chimiques constituent les cellules ?
• Quels types de molécules sont trouvés et en quelles
proportions ?
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Trois groupes d'éléments
• Les éléments principaux: C, H, O, N, P, S
• Les ions: Na+, K+, Mg+2, Ca+2, Cl-, ...
• les oligo-éléments: Fe, Cu, Zn, ...
Comparaison avec la croûte terrestre
Les huit éléments les plus abondants dans
la croûte terrestre
le corps humain
nombre total d'atomes
nombre total d'atomes
% en poids
O
Si
Al
Fe
Ca
Na
K
Mg
H
O
C
N
Ca
P
Cl
K
3-4
25-30
50-60
8-10
47
28
7,9
4,5
3,5
2,5
2,5
2,2
63
25,5
9,5
1,4
0,31
0,22
0,08
0,06
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Constituants moléculaires de la bactérie E. coli
Pourcentage
du poids total
Eau
Protéines
Acides nucléiques
ADN
ARN
Polysaccharides
Lipides
Molécules constitutives
et intermédiaires
Inorganiques
Nombre de
type de molécule
70
15
1
3.000
1
6
3
2
1
> 3.000
5
20
2
1
500
20
Les protéines
• Catalyseurs des réactions du métabolisme (Enzymes)
• Éléments de structure (collagène,…)
• Contraction musculaire (Actine/myosine)
• Transport des solutés à travers les membranes
• reconnaissance spécifique : anticorps, récepteurs,...
Les acides nucléiques
• Stockage de l'information génétique (ADN)
• transmission et traduction de cette information (ARN)
Les polysaccharides
• Stockage de l'énergie : amidon, glycogène
• Constituants cellulaires : cellulose
• Reconnaissance cellulaire : glycoprotéines et
glycolipides
Les lipides
• Stockage de l'énergie : tissu adipeux, huiles végétales
• Constituants majeurs des membranes
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
1. Introduction
2. Les principales caractéristiques de la matière vivante
2.1. Les propriétés particulières
2.2.La biochimie cherche à comprendre ces propriétés
2.3. Quelques propriétés générales de la matière vivante
2.4. Espace, temps et énergie cellulaires
3. Les biomolécules constituants la matière vivante
3.1. Composition chimique
3.2. Les principales biomolécules cellulaires
3.3. Hiérarchie des structures cellulaires
Niveaux d'organisation cellulaire
Organites
noyau
mitochondrie
golgi
réticulum
Masse moléculaire
Daltons
Assemblages
supra moléculaires
membrane
ribosome
chromatine
microtubule
106-109
Macromolécules
protéine
ADN
ARN
polysaccharide
103-106
Molécules
acide aminé
glucose et oses
adénine et bases
acide gras
50-250
Chapitre 1 :
La logique moléculaire des
êtres vivants
Fin du chapitre