Transcript BIOCHIMIE

BIOCHIMIE
[email protected]
IUT Marseille, département GCGP 2A
Généralités
Biochimie : chimie du vivant
Partie de la biologie
Connaissances fondamentales
biologiques
molécules de la matière vivante
structures
transformations
fonctions
interactions
Compréhension des phénomènes
Généralités

Biochimie
Matière inter disciplinaire
ChimieEquilibre
Chimie
organique
Biochimie
Thermodynamique
Biologie
cellulaire
Matériaux biologiques de base




Organismes vivants constitués d’une grande part
d’eau
Solvant majoritaire des phénomène métaboliques
Liquide de transport entre les cellules
Substances véhiculées hydrosolubles (ions, composés
organiques (sucres, protéines, …))
Matériaux biologiques de base
Edifice biologique structuré et compartimenté
Avec des membranes : intérieur hydrophobe
(lipophile)
Extérieur hydrophile

Les lipides (composé membranaire) : famille de
composés organiques d’intérêt biologique
Matériaux biologiques de base

Pour survivre, se déplacer et effectuer du travail
Cellules : accès source d’énergie libre
graisses et sucres
Oxydation
Libération ATP (adénosine triphosphate) : molécule
énergétique
Matériaux biologiques de base



Toutes les réactions biologiques : intervention de
catalyseurs
Nécessité d’enzymes qui abaissent
considérablement la barrière d’énergie d’activation
des réactions
Enzymes : protéines synthétisées par ribosomes
(utilisation code génétique stocké sous la forme
d’acides nucléiques)
PLAN

Organisation cellules

Les matériaux biologiques de base
Lipides : structures et propriétés
Glucides/sucres : structures et propriétés
Protéines : de l’ADN à la biosynthèse protéique
Enzymes : catalyseurs de réaction


Aspect énergétique des réactions biochimiques
Applications industrielles
Organisation cellulaire
2 grandes catégories
Procaryotes
(bactéries et archées)
Eucaryotes
(champignons, algues, protozoaires)
Organismes procaryotes
Micro-organismes unicellulaires (libres ou associer en amas )
Petite taille (ordre du µm)
Forme : sphérique ou allongée
Importante surface d’échange avec milieu extérieur
Sensibilité aux variations environnementales
Procaryotes : organisation cellulaire identique
Organismes procaryotes

La membrane (cyto)plasmique
Nombreuses molécules incluses dans membrane :
Enzymes et transporteurs d’électrons (protéines
intervenant dans les activités respiratoires et la
photosynthèse bactérienne)
Siège principal production énergie cellulaire
Organismes procaryotes



Nucléoïde
Région sans membrane limitante : présence de
l’unique chromosome cellulaire (polymère de
désoxyribonucléotides double brin circulaire)
Plasmides : molécule d’ADN non vitale à la survie
cellulaire
Propriétés bactériennes (résistance antibiotiques)
Ribosomes : siège synthèse chaînes peptidiques
Organismes eucaryotes
Organisation cellulaire fondamentale identique aux procaryotes
Organismes eucaryotes



Longueur minimale 10 µm
Présence d’un vrai noyau
Contient matériel génétique (chromosomes d’ADN),
ARN, protéines : chromatine
Organismes eucaryotes
ORGANITES
FONCTION
Réticulum endoplasmique
Synthèse des glycoprotéines, lipides, transport de substances
Ribosomes
Synthèse des protéines
Appareil de Golgi
Finition (glycoprotéines, etc.) emballage et sécrétion de
diverses substances cellulaires (lysosomes)
Lysosomes
Contiennent des enzymes hydrolytiques, digestion de substrats
Vacuoles
Mise en réserve de substances
Peroxysomes
Contiennent des enzymes d’oxydo-réduction
Protéasome
Digestion des protéines endogènes, régulation de l’activité
enzymatique
Mitochondries
Centre respiratoire de la cellule
Centrosome
Fabrique éléments nécessaires aux déplacement des
chromosomes
Différences Pro/Eucaryotes


Procaryotes : absence membrane nucléaire
délimitant un vrai noyau (séparation matériel
génétique du cytoplasme)
Eucaryotes : présence de nombreux organites
cellulaires supplémentaires
PLAN

Organisation cellules

Les matériaux biologiques de base
Lipides : structures et propriétés
Glucides/sucres : structures et propriétés
Protéines : de l’ADN à la biosynthèse protéique
Enzymes : catalyseurs de réaction


Aspect énergétique des réactions biochimiques
Applications industrielles
Matériaux biologiques de base : les lipides

Définition :
Molécules organiques insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques
apolaires (hexane, benzène, chloroforme, …)
Caractérisés par la présence dans la molécule d’au moins un acide gras (AG) ou
chaîne grasse

Rôle biologique :
Réserve énergétique mobilisable
Les membranes cellulaires ont une structure lipidique
Matériaux biologiques de base : les lipides
Classification :
Les lipides simples : glycérides et stérides
Les lipides complexes : glycérophospholipides

Tous caractérisés par la présence d’au moins un AG
Définition acide gras :
Monoacide, linéaire, à nombre pair de carbone, saturé ou
insaturé

Matériaux biologiques de base : les lipides

Acides gras saturés CH3-(CH2)n-COOH
4C acide butyrique
16C acide palmitique
18C acide stéarique
24C acide lignocérique
Le premier carbone est le carboxyle
Exemple : acide palmitique CH3-(CH2)14-COOH
Matériaux biologiques de base : les lipides

Acides gras insaturés (mono ou polyinsaturés)
Monoinsaturé
présence d’une double liaison
Polyinsaturé
plusieurs doubles liaisons
La position de la première double liaison peut s’exprimer :
Soit en partant du carboxyle (1er carbone) : symbole ∆
Soit en partant du méthyl (dernier carbone) : symbole ω
Acide oléique monoinsaturé C18 : 1 ω9
Matériaux biologiques de base : les lipides
Acide linoléique polyinsaturé C18 : 2 doubles liaisons (ω6,9)

Propriétés des acides gras
Propriétés physiques
Solubilité : l’acide butyrique (4C) est soluble dans l’eau, puis la solubilité des
acides gras baisse progressivement . Ils sont insolubles à partir de 10C
Point de fusion : augmente avec le nombre de C et diminue quand le nombre
de doubles liaisons augmente
Ils sont liquides à 20°C si n<10C et solides si n=10C
Matériaux biologiques de base : les lipides

Propriétés des acides gras
Propriétés chimiques
L’oxydation des doubles liaisons par l’oxygène de l’air conduit au rancissement
des graisses
Formation de sels de sodium ou potassium : dans l’eau les savons se dissocient
en Na+ + R-COOL’anion a 2 pôles :
Caractéristique des molécules amphiphiles ou amphipathiques
tensioactifs (baisse tension superficielle de l’eau)
propriétés moussantes, mouillantes et émulsionnantes
Matériaux biologiques de base : les lipides
Classification :
Les lipides simples : glycérides et stérides
Les lipides complexes : glycérophospholipides


Les lipides simples :
Constitués de C, H et O
Esters d’ AG + alcool
3 types d’alcool sont estérifiés par des AG :
Glycérol
Glycérides
Cholestérol
Stérides
Alcool à PM élevé
Cérides
Matériaux biologiques de base : les lipides

Les lipides simples : les glycérides
Esters d’AG et de glycérol
Matériaux biologiques de base : les lipides

Les lipides simples : les stérides
Esters du cholestérol
Constituant membrane cellulaire
(rôle dans la fluidité)
(champignons et animaux)
Matériaux biologiques de base : les lipides
Les lipides complexes : glycérophospholipides
L’acide phosphatidique :
Élément de base des glycérophospholipides
Acide phosphatidique = glycérol + 2AG + H3PO4

Les 2 AG (≥ 14C), AG position 2 souvent insaturé
Matériaux biologiques de base : les lipides
Lipide complexe : Glycérophospholipides constitués d’alcool + Acide
phosphatidique
Nature de l’alcool :
Sérine
Ethanolamine
Le lipide se forme par fixation de
la fonction alcool sur l’acide
Membrane cellulaire
(Glycéro)phospholipides : constitue structure de base des
membranes biologiques chez les bactéries
Membrane cellulaire

Composition membranes
Lipides (Phospholipides et cholestérol) (~49 %)
Forment le squelette des membranes
-
-
-
Protéines (récepteurs, transporteurs, enzymes) (~43 %)
attachées aux phospholipides
Glucides (glycolipides et glycoprotéines) (~8 %)
Membrane cellulaire
Membrane : mosaïque fluide (d’après Singer et Nicholson)
Mosaïque : Hétérogène à la fois dans l'espace et le temps.
existence de protéines intégrales (membranaires),
glycoprotéines, glycolipides, feuillets de lipides différents
d’une couche à l’autre
Fluide : phospholipides et protéines membranaires peuvent se
mouvoir dans le plan de la membrane. De plus, la membrane
est un corps parfaitement déformable dans les 3 directions de
l'espace. Par exemple, la membrane peut onduler.
Membrane cellulaire
Barrière de diffusion : contrôle échanges (ions,
solutés, métabolites) entre l’intérieur/extérieur
 Transport de substances
interactions
permanentes avec le métabolisme cellulaire
 Transport assuré par deux grandes classes de
protéines :
- Protéines canaux
- transporteurs
Distinction selon 2 critères : nombre et sens de
molécules transportées

Membrane cellulaire
Subdivision en 3 catégories :
-Protéines uniport
- symport
- antiport
2 formes de transport membranaire :
-Transport passif
- Transport actif
Transport cellulaire
Transport passif : perméabilité passive
diffusion
Pas d’intervention active de la cellule
Contrôler par les lois physico-chimiques (taille, gradient de
concentration)

-
Diffusion simple
Diffusion facilitée
molécules concernées (diffusion simple) : petites molécules
minérales ou organiques (O2, CO2, N2, NH3, H2O, éthanol)
Molécules concernées (diffusion facilitée) : glycérol, acides gras,
certains ions (grosse taille, non liposoluble), sucres (glucose)
Transport cellulaire

-
-
-
Facteurs régulant la diffusion
simple :
Liposolublité
Poids moléculaire (PM) : membrane
plasmique pratiquement
imperméable PM>150 Da
Ionisation : bicouche lipidique
imperméable aux molécules
chargées
Transport cellulaire
Diffusion facilitée :
Mécanisme saturable
Vmax atteint quand
le transporteur est
saturé
Transport cellulaire
Transport actif (perméabilité active) : ressemble à
la diffusion facilitée (transporteur) mais
Transport sens contraire gradient de concentration
Utilisation quand les substances sont en faible
concentration dans l’environnement extérieur de la
cellule
nécessité énergie

Obtention :
- Hydrolyse d’ATP
- Gradient de concentration ou de proton
Transport cellulaire
Hydrolyse d’ATP
pompes
Utilisation des transporteurs ABC (« ATP Binding
Cassette Transporters »)

Gradient de concentration ou ionique :
Transporteurs secondaires (co-transporteurs)
Utilisation énergie du gradient (symport ou antiport)

Transport cellulaire
PLAN

Organisation cellules

Les matériaux biologiques de base
Lipides : structures et propriétés
Glucides/sucres : structures et propriétés
Protéines : de l’ADN à la biosynthèse protéique
Enzymes : catalyseurs de réaction


Aspect énergétique des réactions biochimiques
Applications industrielles
Matériaux biologiques de base : les glucides

Définition : molécules organiques dont les carbones sont porteurs :
-
De fonctions alcool
-
D’une fonction aldhéyde ou cétonique

Rôles dans les cellules :
-
Réserve énergétique
-
Éléments de reconnaissance et de communication entre les cellules
-
Participe à la structure de nombreuses macromolécules biologiques
fondamentales : glycoprotéines, coenzymes, acides nucléiques (ribose et
désoxyribose)
Matériaux biologiques de base : les glucides

Classifications des glucides
Distinction oses et osides
Les oses (sucres simples appelés aussi
monosaccharides) :
classification en fonction du nombre de carbone
de l’ose et à la nature du carboxyle
-
-
Nombre d’atomes de carbone : 3C (triose),
4C (tétrose), 5C (pentose)
Nature carbonyle :
aldéhyde
aldose
cétone
cétose
Exemples : Aldopentose, aldohexose
Composés
hydrosolubles
Matériaux biologiques de base : les glucides
Les monosaccharides les plus abondants en biochimie :
Hexoses : glucose, fructose, galactose et mannose
Pentoses : ribose et désoxyribose
Les osides : molécules dont l’hydrolyse fournit 2 ou plusieurs molécules d’oses
identiques ou différents
Glucides polymérisés
-
-
De 2 à 20 résidus d’oses : oligosaccharides (disaccharides : lactose,
saccharose)
Plus de 20 résidus : polysaccharides (amidon, cellulose)
Distinction de 2 grands groupes :
Holosides/Homosaccharides : composés seulement d’oses
Hétérosides/Hétérosacchardies : oses et partie non glucidique
Matériaux biologiques de base : les glucides
Glucose
Fructose
Saccharose
Glucose
PLAN

Organisation cellules

Les matériaux biologiques de base
Lipides : structures et propriétés
Glucides/sucres : structures et propriétés
Protéines : de l’ADN à la biosynthèse protéique
Enzymes : catalyseurs de réaction


Aspect énergétique des réactions biochimiques
Applications industrielles
Matériaux biologiques de base : les protéines
Définition : une ou plusieurs chaînes d’acides aminés liées
entre elles par des liaisons peptidiques (chaîne
polypeptidique/polypeptide)
On parle de protéines (au moins 100 acides aminés) sinon
peptide
L’ordre de la séquence des acides aminés distingue une protéine
d’une autre
La séquence en acides aminés détermine la forme
tridimensionnelle de la protéine
Modification de séquence
changement structure

Matériaux biologiques de base : les protéines

Rôles :
-
Enzymes : catalyseur des réactions biologiques
-
-
-
Protéines de régulation (insuline : régulation protéines du métabolisme
glucose)
Protéines de transport (protéines membranaires)
Protéines de signalisation (captage signaux extérieurs et transmission à la
cellule)
Protéines de stockage (mise en réserve d’acides aminés pour synthèse
d’autres protéines)
-
Protéines de mouvement et de contraction
-
Protéines de structure
-
Protéines de stress
Matériaux biologiques de base : les protéines

Acides aminés
Structure de base
Propriétés des chaînes
latérales définissent les
propriétés des acides
aminés
Assemblage des acides aminés
Liaison peptidique
Synthèse protéique
Chromosome constitué d’ADN (acide désoxyribonucléique)
La portion d’ADN codant pour une protéine est appelée gène (support
information génétique)
Les protéines doivent leur spécificité à la séquence d’ADN par laquelle
elles sont codées

ADN : plus grosse macromolécule du monde vivant
Formé de nucléotides, eux même formé par :
-
-
Un groupement phosphate (H3PO4)
Un sucre : désoxyribose (pentose qui a perdu un atome d’oxygène –OH remplacé
par –H)
Une base azotée (adénine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T))
Synthèse protéique
Synthèse protéique

ADN : formé par deux brins complémentaires de nucléotides, reliées par
leurs bases complémentaires deux à deux (A-T et G-C) en formant une
double hélice (3’-5’ et 5’-3’)
Synthèse protéique

Chez les procaryotes : 2 étapes
- Transcription de l’ADN en ARN messager
-
Traduction ARN messager en protéine

Chez les eucaryotes : étape intermédiaire
- Maturation de l’ARN prémessager dans le noyau
Synthèse protéique
Différences ADN/ARN ?
ARN : acide ribonucléique (ribose n’a pas perdu son
-OH)
uracile
L’uracile remplace la thymine

Synthèse protéique
Synthèse protéique
Transcription :
promoteur (régions de l'ADN) indiquent le
début d'un gène et sont reconnues par
l'enzyme responsable de la transcription,
l'ARN polymérase (ARN synthétase)
Lorsque la cellule a besoin de fabriquer une
protéine fixation ARN polymérase sur le
promoteur du gène
ARN polymerase déroule la molécule d'ADN,
puis séparer ses deux brins
Assemblage des bases azotées en se
servant du brin d'ADN comme matrice pour
fabriquer une molécule d'ARNm (messager)
Derrière elle, les deux brins se réassemblent
et l'ADN s'enroule. Lorsque l'ARN polymérase
rencontre un codon-stop, elle se sépare de
l'ADN et libère l'ARNm
Synthèse protéique

Traduction (cytoplasme):
Fixation brin ARNm à un ribosome (deux sousunités : une petite et une grande)
Placement ARNm entre les deux sous-unités du
ribosome assemblage acides aminés
Le codon AUG (méthionine) codon d'initiation début
traduction
Déplacement ribosome sur ARNm codon par codon
et va, par l'intermédiaire d'un ARN de transfert
(ARNt), ajouter un acide aminé (rencontre codonstop)
Séparation sous-unités du ribosome et libération
ARNm et protéine Possibilité lecture molécule
d'ARNm par plusieurs ribosomes simultanément
(polyribosome)
Les enzymes

Définition :
Catalyseur protéique des systèmes biologiques
2 grandes caractéristiques :
- Pouvoir catalytique : accélération de la vitesse des réactions
d’un facteur ≥ 106 sans modification de la position de
l’équilibre de réaction
-
Spécificité : vis-à-vis de la réaction catalysée ainsi que des
réactifs (substrats)
Chaque enzyme catalyse une seule réaction chimique
Les enzymes
Principe réactionnel général :
E+S
ES
E+P

Formation du complexe ES (Enzyme-Substrat) :
1ère étape catalyse enzymatique
S liés à une région spécifique de l’enzyme
site actif
Spécificité catalytique des enzymes dépend de la spécificité du
processus de liaison ES
Les enzymes : caractères clés des sites
actifs

-
-
-
Caractères généraux des sites actifs :
Occupe part réduite du volume total de l’enzyme
Entité tridimensionnelle
Substrats liés aux enzymes par des forces relativement faibles
(interactions électrostatiques, liaisons hydrogène, forces de Van
der Waals, interactions hydrophobes)
Spécificité de la liaison dépend de la disposition très
précisément définie des atomes dans un site actif
Les enzymes : caractères clés des sites
actifs
S doit avoir une forme identique à celle du site pour s’adapter à lui
(complémentarité des formes)
adaptation directe
Forme du site actif de certaines enzymes est profondément modifiée
par la liaison de S : sites actifs de ces enzymes ont des formes
complémentaires de celles du substrat seulement après liaison entre E
et S
Processus de reconnaissance dynamique
adaptation induite
Les enzymes abaissent l’énergie d’activation


Enzyme : catalyseur : abaissement barrière activation et
augmentation vitesse de réaction
Nécessité de réduire l’enthalpie libre (énergie libre de Gibbs)
d’activation, ∆G#
énergie qui doit être absorbée par les
réactifs pour que leur liaisons soient brisées
Les réactifs doivent atteindre un état de transition instable dans lequel
les liaisons sont plus fragiles et plus faciles à briser
La réaction ne se fera que si les réactifs ne se heurtent avec
suffisamment de force pour libérer l’énergie capable de rompre les
liaisons
Etat de transition


Energie d’activation barrière indispensable car elle
prévient la dégradation spontanée de
macromolécules riche en énergie (graisses, glucides)
Toujours atteindre l’état de transition sinon aucune
dégradation possible des macromolécules dont les
cellules tirent leur énergie
Propriétés cinétiques des enzymes

Modèle de Michaelis-Menten
Propriétés cinétiques des enzymes

Représentation graphique vitesse d’une réaction de Michaelis
Menten
[S] << KM
V = Vmax [S]/ KM
[S] = KM
V = Vmax / 2
[S] >> KM
V = Vmax
KM concentration en substrat
pour laquelle V = Vmax / 2
KM s’exprime en mol.L-1
Quand la concentration en E
augmente Vmax augmente et
KM est constant
Propriétés cinétiques des enzymes

Représentation en double inverse (lineweaver burk)
Mesure de l’efficacité enzymatique

Turn over : nombre de molécules de S transformé en
P par unité de temps lorsque l’enzyme est totalement
saturée
[Et] connue Vmax = kcat [Et]
kcat = Vmax / [Et]
kcat est une constante de vitesse du 1er ordre (s-1), c’est une fréquence
Fréquence à laquelle l’enzyme effectue l’acte catalytique
kcat donne la mesure de l’efficacité de la catalyse par l’enzyme
1/ kcat
durée en secondes de la catalyse
Facteurs influençant la vitesse enzymatique
Le pH
Ionisation convenable des acides aminées du site actif
 La température
Déstabilisation structure enzyme et augmentation de la vitesse de
réaction (loi d’Arrhénius)
 Co facteurs
molécule nécessaire à la catalyse (ions, co enzymes)

optimisation des paramètres de la cinétique enzymatique
(Vmax, KM, turnover) en jouant sur les conditions expérimentales après
détermination des conditions optimales (pH, Température (souvent 37°C))
Inhibition enzymatique
Un inhibiteur enzymatique réduit l’activité enzymatique en se liant
à l’enzyme de telle façon que sa liaison au substrat soit
modifiée
Inhibition réversible :
Dissociation rapide du complexe enzyme/inhibiteur
Inhibition compétitive ou non compétitive
Inhibition irréversible :
Formation d’une liaison covalente ou très forte
Inhibition compétitive
I ressemble à S et l’empêche de se fixer
Diminution du nombre de ES et donc
de la vitesse de formation de P
Levée par augmentation concentration en S
Facteur d’inhibition : Fi = 1 + [I] / KI
Inhibition non compétitive
Baisse de E fonctionnel
Les enzymes

-
Bénéfices liés aux enzymes pour déroulement
réaction biochimique :
Vitesse élevée
Conditions modérées de température, pression et pH
Spécificité enzyme-substrat (conformation enzyme)
Présence d’un système de régulation
3 types de régulation de l’activité catalytique des enzymes
Les enzymes
-
Régulation par le produit final :
Enzyme inhibée
par Z
A
B
C
D
Z
Produit final
-Enzyme qui catalyse la 1ère étape d’une voie de biosynthèse est habituellement
inhibée par le produit final
-Type de contrôle appelé rétro-inhibition
Les enzymes

Exemple de régulation par le produit final :
Biosynthèse de l’isoleucine chez les bactéries
Thréonine
Isoleucine (5 étapes dont la 1ère est catalysée
par la thréonine désaminase)
Inhibition de l’enzyme quand la concentration en isoleucine atteint
un certain niveau (conformation de l’enzyme modifiée selon la
concentration en isoleucine)
Inhibition par liaison de l’isoleucine au site régulateur de l’enzyme
(distinct du site catalytique)
Les enzymes

Régulation par des protéines régulatrices
Protéines peuvent agir comme stimulateur ou inhibiteur sur les enzymes
Exemple :
Calmoduline (CaM) : protéine capable de s'associer aux ions calcium présents
dans le milieu cellulaire
Cette liaison induit un changement de conformation de la protéine et forme un
complexe calcium-calmoduline (Ca2+-CaM)
Activation d’enzymes comme l'adénylate cyclase (fabrication AMP à partir ATP)
Les enzymes

Régulation par modification covalente des enzymes
Intervention de groupes modulateurs (groupe phosphate (vient de
l’ATP)) qui se fixent sur un résidu d’acide aminé spécifique
(phosphorylation réversible des résidus sérine, thréonine,
tyrosine)
Nombreuses enzymes sont mises en position "actif" ou "non-actif"
par une phosphorylation ou une déphosphorylation
Les enzymes

Classification des enzymes en fonction du type de réaction
Classification
Type de réaction
Oxydoréductases
Oxydation-réduction
Transférases
Transfert de groupes fonctionnels
Hydrolases
Hydrolyse
Lyases
Elimination de groupes pour former
des doubles liaisons
Isomérases
Isomérisation : réarrangement groupes
fonctionnels
Ligases
Formation de liaison couplée avec
hydrolyse d’ATP
Métabolisme cellulaire
Cellule
Siège de milliers de
réactions biochimiques
Mise en jeu transfert de
matière et/ou énergie
Ensemble de réactions
biochimique = métabolisme
Anabolisme et catabolisme ont lieu en même temps dans la cellule
Métabolisme cellulaire
Réactions biochimiques
réseau voies métaboliques
Transformation des métabolites
Interdépendance des voies
métaboliques
Chaque point = un métabolite
Trait = réaction biochimique
Anabolisme
Matériaux de construction + ATP
macromolécules complexes
Ensemble des voies métaboliques qui :
-
-
-
Utilisent énergie chimique (ATP) générée par les processus cataboliques
Pour la synthèse macromolécules complexes (protéines, acides nucléiques,
lipides, polysaccharides)
À partir de molécules de structures simples : acides aminés, nucléotides, oses
simples, acides gras
Ou à partir de « matériaux de construction » élémentaires CO2 et H2O
Exemple : synthèse des protéines à partir d’acides aminés
Catabolisme
macromolécules complexes
matériaux de construction + ATP
Ensemble des voies métaboliques qui :
-
dégradent les macromolécules biologiques complexes en molécules de
structure simples
-
pour finir par l’oxydation complète en « matériaux de construction »
-
Contribuent ou aboutissent à la synthèse d’ATP
Exemple : la glycolyse, le cycle de Krebs, la respiration cellulaire
Métabolisme énergétique
Définition :
Étude des transferts d’énergie dans les cellules vivantes

Loi de conservation de l’énergie : l’énergie totale d’un système et
de son environnement est constant
Energie libre G : quantité d’énergie contenue dans une molécule
susceptible d’être libérée au cours d’une réaction chimique
Variation de l’énergie libre : ∆G
Bioénergétique
Bioénergétique
Bioénergétique
∆G0’ en J.mol-1
(Kelvins)
J/mol/K)
Bioénergétique
∆G0’ = - 32 kJ.mol-1
Liaison considérée comme riche en énergie si ∆G0’ < - 25 kJ.mol-1
Bioénergétique
ATP + H2O
ADP + Pi +H+
irréversible
∆G0’ = - 32 kJ.mol-1
Travaux cellulaires
[ATP] + [ADP] = constante ; rapport ATP/ADP varie en fonction de l’état
énergétique de la cellule
Les réactions d’oxydo-réduction
Oxydation
Réduction
Gain d’oxygène
Perte d’hydrogène
Perte d’électrons
Perte d’oxygène
Gain d’hydrogène
Gain d’électrons
Les réactions d’oxydo-réduction
Les réactions d’oxydo-réduction
Bioénergétique et réactions d’oxydo-réduction
Métabolisme
biologique
organismes vivants
Cycle de Krebs
(ou de l’acide citrique)
Succession de 8 réactions
biochimiques
Cycle se déroulant en
aérobie (chez eucaryotes et
procaryotes)
Cycle permet :
-Oxydation substrats
complexes
- production précurseurs
nécessaires à de
nombreuses biosynthèses
Cycle Krebs = carrefour
métabolique important
Libération de
matériaux de
constructions
élémentaires
Libération de
puissants réducteurs
E’0 NADH/NAD+ = -0,32 V
E’0 FADH2/FAD = -0,06 V
Leur réoxydation permet
- transfert d’e- à O2
(respiration cellulaire)
- phosphorylation oxydative
(synthèse ATP)
Les réactions du cycle de Krebs
Lieu déroulement cycle :
Mitochondries eucaryotes
Cytoplasme procaryotes
1 Citrate synthase
Catalyse condensation irréversible
Acétyl-CoA et Oxaloacétate en
citrate
2 Aconitase
Catalyse isomérisation réversible
Du citrate (alcool tertiaire) en
isocitrate (alcool secondaire)
Les réactions du cycle de Krebs
3 Isocitrate déshydrogénase
Catalyse décarboxylation oxydative
de l’isocitrate en alpha-cétoglutarate
4 alpha-cétoglutarate déshydrogènase
Catalyse décarboxylation oxydative
de l’alpha-cétoglutarate en
succinyl-CoA
5 succinyl-CoA synthétase
6 succinate déshydrogénase
liée avec FAD, catalyse l’oxydation
du succinate, accompagnée
réduction de FADH2
Les réactions du cycle de Krebs
7 Fumarase
Catalyse hydratation double liaison
fumarate pour produire le malate
8 Malate déshydrogénase
Catalyse formation d’oxaloactétate
par oxydation du groupe alcool
secondaire du malate. Réaction
couplée avec la réduction de NAD+
en NADH
Chaîne respiratoire et synthèse d’ATP par phosphorylation oxydative
Les complexes I, II, III et IV : assemblage de plusieurs protéines associés à des
accepteurs d’électrons (E’0 potentiel de réduction croissant de I à IV)
Coenzyme Q permet transition e- des complexes I, II vers III
Cytochrome C transition entre III et IV
PLAN
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Organisation cellules
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Les matériaux biologiques de base
Lipides : structures et propriétés
Glucides/sucres : structures et propriétés
Protéines : de l’ADN à la biosynthèse protéique
Enzymes : catalyseurs de réaction
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Aspect énergétique des réactions biochimiques
Applications industrielles
Applications industrielles
Les Biotechnologies
Terminologie introduite par Karl Ereky en 1913
(Ingénieur agricole Hongrois)
Idée : développement de la production agricole en guise de
matière première pour la production industrielle de
molécules (méthodes biochimiques)
Définition : mise en œuvre de matériel biologique
production biens ou service
Applications industrielles
Les Biotechnologies
Micro-organismes souvent employés : bactéries et champignons
Avantages des micro-organismes :
Multiplication rapide bonne rentabilité des infrastructures
Se développent sur des nutriments renouvelables
Grande diversité métabolique
production molécules variées
Peuvent être adaptés à des objectifs productivistes
sélection, génie génétique
Peu de risque de contamination
Facilité de purification des molécules produites
Energétiquement économe (production à température modérée)
Applications industrielles
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Acide succinique (diacide
carboxylique aliphatique)
HOOC-CH2-CH2-COOH
Présent dans tous les organismes
vivants
Production pendant le cycle de
Krebs
Applications industrielles
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Molécule de base lors de la synthèse de nombreuses
molécules d’intérêt médical ou commercial (cosmétique,
textile, plastique, agroalimentaire (vin, vinaigre))
Marché potentiel estimé > 2,5 M€
Jusqu’en 2007 industriellement produit avec des dérivés
du pétrole (acétylène et formaldéhyde)
Applications industrielles
2008 : premier pilote
industriel (bio-raffinerie de
Pomacle-Bazancourt,
capacité de production 2000t/an)
Obtention à partir de sucres et
résidus lignocellulosiques
fermentés par E.Coli en
atmosphère enrichie en CO2
Applications industrielles
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Éthanol
Production à partir de Saccharomyces cerevisiae, S. carlsbergiensis (levures)
Nourriture : différents sucres assimilables
Glucose, fructose, saccharose, maltose
Conditions anaérobies
Alcool industriel : biocarburants
Alcool alimentaire : boissons alcoolisées (bière, vin , whisky)
Fabrication bière
Germination des graines
Orge
Seigle
Pomme de terre
betterave
amylases
amidon
Eucaryotes :
levures
Maltage :
Malt = Orge dont on a stoppé la germination
Orge stocké 2 mois avant maltage
Trempage : périodes de 10h entrecoupées d’étapes à l’air libre (10°C pendant 2-3 jours)
Etalage dans germoirs à 15 °C (apparition plantule et radicelles)
Arrêt germination après 1 semaine durant laquelle synthèse amylases (dégradation
coque graine)
Brassage puis fermentation
Fabrication bière
Applications industrielles
Production d’acides aminés
Voie fermentaire
Glutamate : agent de sapidité
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Bactérie : Corynébactérium glutamicum
Milieu de culture (amidon ou extraits de betterave)
Applications industrielles
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Les enzymes
Applications industrielles
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Les enzymes
Applications industrielles
Les lipides
Biofuel, bioplastiques, Liposomes (industries
pharmaceutique et cosmétique)
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Liposomes
Emprisonnement molécules
d’intérêt
Structure proche membrane
cellulaire
fusion et libération de la
substance
Applications industrielles
Les lipides
Biofuels
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Voie chimique : transestérification huile (colza, soja (USA)) avec
alcool (méthanol ou éthanol)
Voie biologique : microalgues
Avantages :
Croissance rapide
Contenu en huile 20 à 50 % de la masse sèche biomasse
Aptitude à pousser sur des terres non cultivables
Forte consommation de CO2
Meilleur rendement en huile/hectare
Applications industrielles
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Rendement à l’hectare :
Microalgues 137 000 L/hectare (surface 2Mha)
Blé 170 L/ha (surface 1500 Mha)
Huile de palme 6 000 L/ha (45 Mha)
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Cultures : étangs ou photobioréacteurs
Étangs : canaux de circulation en boucle (courant assuré par des pales)
Applications industrielles
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Avantages étangs : simple, peu chère, exploitation facile
Inconvénients : paramètres lumière et température durs à contrôler,
évaporation, contamination, faible rendement biomasse
Photobioréacteurs :
Série de plaques ou tubes en plastique ou verre
Diamètre maxi tubes 10 cm
éviter accumulation d’O2
inhibition photosynthèse
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Avantages photobioréacteurs : conditions de culture faciles à contrôler, plus
grand rapport surface/volume, prévention évaporation et contamination,
augmentation densité cellule (meilleur pénétration lumière)
Inconvénients : plus couteux matériel et énergie, formation biofilm, UV
détériore plastique, agitation et échanges gazeux moins efficaces
Applications industrielles
Récolte des microalgues
Centrifugation, sédimentation, filtration
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Extraction des huiles
Presse, extraction à l’hexane, extraction avec CO2
supercritique
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