Biochimie

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Biochimie
Représentation tridimensionnelle de la neuraminidase. Les coordonnées des atomes ont été obtenues par diffractométrie de rayons X sur un cristal de la protéine.

La biochimie est la discipline scientifique qui √©tudie les r√©actions chimiques ayant lieu au sein du vivant et par cons√©quent, au sein des cellules. Elle se divise en deux groupes : la biochimie statique (√©tudie la composition et les propri√©t√©s physico-chimiques) et la biochimie dynamique (√©tudie les transformations et les r√©actions chimiques)

On pr√™te √† Carl Neuberg la cr√©ation de ce terme en 1903 d'apr√®s la racine grecque őíőĻőŅŌáő∑őľőĶőĮőĪ (biochńďmeia), c'est-√†-dire en tant que chimie de la vie, mais c'est un mot qui circulait d√©j√† en Europe depuis la fin du XIXe si√®cle. On distingue plusieurs grandes subdivisions de cette discipline : l'√©nerg√©tique, production d'√©nergie par la cellule ; l'enzymologie ou √©tude des catalyseurs biologiques ; le m√©tabolisme, divis√© en anabolisme, r√©actions de synth√®se des mol√©cules et catabolisme, r√©actions de d√©gradation des mol√©cules. Ces grands groupes se subdivisent ensuite en des domaines de plus en plus sp√©cialis√©s. Par exemple, l'enzymologie moderne t√Ęche de relier la structure tridimensionnelle d'une prot√©ine avec sa fonction, en liaison avec la biologie structurale. La biochimie, tout comme la chimie, d√©taille aussi les raisons de la r√©activit√© des mol√©cules.

Les principales catégories de molécules étudiées en biochimie sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Ces molécules sont constituées principalement de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. Ces classes de molécules représentent les éléments fondamentaux de l'édification et du fonctionnement de la cellule, divisées en deux groupes, les macroéléments, et les microéléments (aussi appelés oligoéléments), c'est-à-dire l'iode, le fer, le zinc existant à l'état de trace dans notre organisme.

L'un des buts ultimes de la biochimie est d'int√©grer les donn√©es obtenues √† l'√©chelle mol√©culaire √† un niveau de complexit√© sup√©rieur, celui de la cellule. Il existe toutefois deux divisions entre la mol√©cule et la cellule : la premi√®re est abord√©e par la chimie supramol√©culaire, qui √©tudie les assemblages de macromol√©cules (comme le ribosome ou les interactions enzymatiques au sein d'une voie m√©tabolique) et les propri√©t√©s √©mergentes ; la seconde s'occupe de la biochimie des organites, comme la mitochondrie ou le chloroplaste, entit√©s supramol√©culaires existant √† l'int√©rieur des cellules complexes.

Sommaire

√Čmergence de la biochimie

Article d√©taill√© : histoire de la biologie.

L'id√©e que l'activit√© de la "mati√®re vivante" provienne de r√©actions chimiques est relativement ancienne (R√©aumur, Spallanzani, etc.). La synth√®se de l'ur√©e, r√©alis√©e en 1828 par le chimiste allemand Friedrich W√∂hler, en sera une des confirmations les plus d√©cisives r√©alis√©es au XIXe si√®cle. Avant cette date, on consid√©rait que la substance pr√©sente dans les organismes pr√©sentait des particularit√©s propres au vivant (th√©orie du vitalisme ou des humeurs h√©rit√©e des Grecs anciens Aristote, Gallien ou Hippocrate).

Un autre Allemand, Justus von Liebig sera le promoteur d'une nouvelle science, la biochimie, qui sera un domaine d'illustration pour plusieurs de ses compatriotes jusqu'à la seconde guerre mondiale. Parmi les plus célèbres on retiendra Hermann Emil Fischer (la célèbre projection de Fischer des glucides), Eduard Buchner (biochimie de la fermentation) et Richard Willstätter (mécanisme des réactions enzymatiques).

D√®s lors l'exploration de la cellule conna√ģt un nouvel essor mais on s'int√©ressera plus particuli√®rement √† ses constituants chimiques et √† la fa√ßon dont ils r√©agissent entre eux afin de r√©aliser un m√©tabolisme au niveau cellulaire. Apr√®s les travaux de Louis Pasteur, la recherche va se porter dans les substances intervenant dans les fermentations et les digestions (les ferments solubles). Antoine B√©champ les nommera en 1864 "zymases" mais on pr√©f√®rera utiliser le nom d'enzymes introduit d√®s 1878 par Wilhelm K√ľhne.

Les autres composants attirant l'attention sont des mol√©cules "albumino√Įdes" nomm√©es prot√©ines depuis 1838. Celles-ci sont consid√©r√©es comme des agr√©gats de petites mol√©cules √† l'origine de l'√©tat collo√Įdal du hyaloplasme de la cellule. Selon Friedrich Engels elles sont la manifestation m√™me de la vie (Dialectique de la nature, 1835); cela suscite d√®s lors une attitude vitaliste qui en France sera d√©fendue par √Čmile Duclaux. Cependant, d√®s 1920, une autre interpr√©tation s'impose avec la mise en √©vidence de la nature mol√©culaire des prot√©ines par Hermann Staudinger. Ce nouveau statut est accompagn√© de caract√©ristiques structurales qui conduisent √† de nouvelles interpr√©tations fonctionnelles, certaines prot√©ines pouvant √™tre des enzymes, comme Victor Henri l'avait pressenti d√®s 1903.

Otto Warburg met en place la chimie cellulaire et met le microrespiromètre à la disposition des chercheurs. Cet appareil va aider le Hongrois Albert Szent-Györgyi puis l'Allemand Hans Adolf Krebs à élucider le mécanisme de la respiration cellulaire. Il est démontré alors que le gaz carbonique produit à cette occasion est le résultat d'une série de réactions biochimiques effectuées à l'aide d'enzymes spécifiques, le Cycle de Krebs. On établit aussi que toutes les cellules tirent leur énergie d'une même molécule, l'adénosine triphosphate ou ATP, découverte en 1929 par Karl Lohmann.

Au début des années 1940, Albert Claude montre que la synthèse de l'ATP se déroule au niveau de la membrane interne des mitochondries. Dans le même temps, le britannique Peter Mitchell explique le mécanisme de cette réaction, qui s'accompagne de formation d'eau.

L'√©tude des thylako√Įdes dans les chloroplastes des v√©g√©taux chlorophylliens permet de comprendre progressivement le m√©canisme de la photosynth√®se. En 1932, Robert Emerson reconna√ģt une phase lumineuse et une phase obscure et en 1937 Archibald Vivian Hill d√©montre que la production d'oxyg√®ne caract√©ristique de la photosynth√®se r√©sulte de la photolyse (d√©composition chimique par la lumi√®re) de l'eau. Enfin √† partir de 1947, Melvin Calvin d√©crit la fabrication des substances carbon√©es √† partir du dioxyde de carbone absorb√©, c'est le Cycle de Calvin.

En 1951, Erwin Chargaff montre que la molécule d'ADN, connue depuis 1869, est essentiellement présente au niveau des chromosomes. On remarque aussi qu'il y a autant d'adénine que de thymine, de guanine que de cytosine. Le jeune James Dewey Watson et Francis Harry Compton Crick vont publier la structure en double hélice de l'ADN dans la revue Nature le 25 avril 1953. Ils se basent sur les images en diffraction des rayons X obtenues par Maurice Wilkins et Rosalind Elsie Franklin.

Toutes ces découvertes sont le prélude à une meilleure compréhension moléculaire de la vie et à de nombreuses autres avancées médicales et biologiques.

Apparition des techniques de biochimie

C'est en 1929 que Theodor Svedberg a l'id√©e de soumettre le mat√©riel cellulaire √† une centrifugation pouss√©e (ultracentrifugation) afin d'isoler les diff√©rents constituants des cellules. En 1906, le botaniste Mikha√Įl Tswett met au point la chromatographie, technique permettant de s√©parer les biomol√©cules. La technique d'√©lectrophor√®se a √©t√© d√©velopp√©e en 1930 par Arne Wilhelm Tiselius, elle permet la s√©paration des biomol√©cules charg√©es sous l'effet d'un champ √©lectrique. Le biochimiste britannique Frederick Sanger d√©veloppa en 1955 une nouvelle m√©thode pour analyser la structure mol√©culaire des prot√©ines (s√©quence d'acides amin√©s) et montra qu'une mol√©cule d'insuline contenait deux cha√ģnes peptidiques, reli√©es ensemble par deux ponts disulfure.

Biomolécules

Eau

Article d√©taill√© : Eau.
L'eau est l'élément primordial de la vie.

L'eau est le constituant principal des êtres vivants. Chez l'être humain cette molécule représente de 55 à 75% de la masse corporelle (mais varie selon la croissance et l'environnement). Certaines des caractéristiques de l'eau font d'elle une molécule remarquable, aux particularités qui ont permis à la vie sur Terre de se développer. Ces caractéristiques sont surtout liées à sa nature dipolaire.

  • L'eau a une force de coh√©sion √©lev√©e gr√Ęce aux liaisons hydrog√®ne, ce qui rend cette mati√®re difficile √† √©vaporer (temp√©rature d'√©bullition particuli√®rement √©lev√©e pour une mol√©cule de cette masse molaire). Cela permet √† une importante phase liquide d'exister aux temp√©ratures connues sur Terre, phase liquide indispensable √† la vie telle que nous la connaissons.
  • De m√™me, ses propri√©t√©s de solvant "doux" permettent √† un tr√®s grand nombre de r√©actions biochimiques de se produire. L'eau est particuli√®rement un excellent solvant pour les solut√©s polaires ou ioniques. L'eau est en effet capable d'entourer et de s√©parer les particules charg√©es en formant des sph√®res de solvatation.
  • L'eau peut former des liaisons hydrog√®ne avec certains atomes composant les biomol√©cules (la liaison hydrog√®ne avec l'acide carboxylique des lipides explique la t√™te hydrophile des lipides, les liaisons hydrog√®ne ont une influence sur la structure spatiale des prot√©ines).
  • L'eau se dissocie naturellement en ion oxonium (ou hydronium) H3O+ et ion hydroxyde OH-.
 2H_2O \leftrightarrow \ H_3O^+ + OH^-

Le pH de l'eau varie donc en fonction du rapport entre ces deux ions, cette propri√©t√© influant fortement sur des mol√©cules telles que les enzymes. Certaines enzymes digestives agissent dans l'estomac (au pH acide proche de 2) et sont inactiv√©es dans l'intestin (au pH basique proche de 8) [exemple : le Coca a un pH de 2,3 et le citron de 3].

  • L'eau est impliqu√©e dans la plupart des r√©actions biochimiques, car c'est le solvant principal et essentiel pour que ces r√©actions aient lieu.
  • Enfin elle est fortement utilis√©e en biochimie pour faire des dilutions et obtenir des solutions avec certaines particularit√©s (solutions tampon).

On peut aussi signaler l'importance de l'eau pour la vie dans son aspect g√©n√©ral :

  • Le fait que la densit√© de l'eau soit plus grande √† l'√©tat liquide que solide, propri√©t√© commune avec le bismuth, a une cons√©quence remarquable : la glace flotte sur l'eau ! En r√®gle g√©n√©rale, la densit√© √† l'√©tat liquide est plus faible qu'√† l'√©tat solide pour les autres corps).
    De surcro√ģt, le fait que la densit√© de l'eau soit maximale √† ¬įC fait que la temp√©rature au fond d'un lac ne peut pas descendre en dessous de ¬įC (sauf cas extr√™mes). Cela permet √† la vie aquatique de survivre aux p√©riodes glac√©es, car l'eau reste liquide sous son manteau de glace isolante.
  • Par ailleurs, sa tension superficielle particuli√®rement √©lev√©e permet le ph√©nom√®ne de capillarit√©, qui permet, entre autres, aux plantes de pousser et √† de nombreux √™tres vivants de se d√©placer sur la surface de l'eau.

Glucides (hydrates de carbone)

Articles d√©taill√©s : Glucides et Sucres.
Cristaux de saccharose ou sucre de table, le plus familier des glucides.

Les glucides ou sucres sont des compos√©s polyfonctionnels qui ont pour formule globale Cn(H2O)n, d'o√Ļ leur nom d'hydrates de carbone.

Les sucres, plus correctement appel√©s oses, jouent un r√īle majeur dans le m√©tabolisme √©nerg√©tique, c'est-√†-dire la production d'√©nergie chimique qui sera utilis√©e au cours des r√©actions d'anabolisme. Ils sont √©galement tr√®s importants dans d'autres processus m√©taboliques tels que la synth√®se d'acides nucl√©iques, les processus d'hydroxylation et la synth√®se de c√©r√©brosides et de glycoprot√©ines. Les glucides interviennent aussi dans le transfert des cations dans l'intestin et dans des m√©canismes de d√©toxification tels que la glycuroconjugaison, l'excr√©tion d'ammoniac et l'√©puration de l'hydrog√®ne.

Chez les bact√©ries, ils sont une partie importante de la membrane externe appel√©e paroi. Chez certaines bact√©ries, les lipides √©tant en quantit√© n√©gligeable, l'assemblage de ces oses donne le peptidoglycane r√©sistant √† l'alcool. Chez d'autres, ils sont conjugu√©s √† des lipides, formant les lipopolysaccharides, ou LPS. Ils sont responsables des r√©actions immunitaires d'un organisme lorsque celui-ci est expos√© √† une entr√©e bact√©rienne. Ils jouent aussi un r√īle important comme d√©terminant antig√©nique √† la surface des cellules eucaryotes. Ils d√©terminent les groupes sanguins et sont une part importante du complexe majeur d'histocompatibilit√©, ou CMH.

Classification des glucides

Par nombre de résidus
Par groupement chimique

Parmi les glucides on distingue les aldoses et les c√©toses :

  • les aldoses sont compos√©s d'une cha√ģne d'alcools secondaires ayant √† une extr√©mit√© un alcool primaire et un ald√©hyde √† l'autre extr√©mit√©. Ces derniers pr√©sentent une √©nantiom√©rie (s√©ries L et D).
  • Les c√©toses poss√®dent une fonction c√©tone dans leurs cha√ģnes, les autres carbones √©tant porteur d'une fonction alcool primaire ou secondaire selon la position.
Par nombre d'atomes de carbone

Les oses sont classés aussi par leur nombre d'atomes de carbone de la manière suivante: C3 trioses, C4 tétroses, C5 pentoses, C6 hexoses, C7 heptoses.

Exemples

  • Le glucose (¬ęgluco¬Ľ, du grec glukus, saveur sucr√©e) est un aldohexose de formule C6H12O6. On le trouve dans les fruits m√Ľrs, le nectar des fleurs, la s√®ve, le sang et certains sirops.
  • Le fructose (du latin fructus, fruit) appel√© aussi l√©vulose, est un c√©tohexose. On le rencontre dans les fruits, le miel, dans certaines boissons sucr√©es et dans les s√©cr√©tions s√©minales.
  • Le maltose est un disaccharide qui donne par hydrolyse deux mol√©cules de glucose.
  • Le lactose est un disaccharide qui donne par hydrolyse un glucose et un ő≤-galactose. Le lactose est retrouv√© notamment dans le lait et les produits laitiers.
Formules cycliques du glucose, fructose et saccharose

Lipides

Article d√©taill√© : Lipide.

Définition

Les lipides, du grec ¬ę lipos ¬Ľ (¬ę graisse ¬Ľ), constituent une classe assez h√©t√©rog√®ne de mol√©cules. Sont regroup√©es sous cette d√©nomination les mol√©cules ayant un caract√®re hydrophobe marqu√©, c'est-√†-dire tr√®s peu solubles dans l'eau mais solubles dans la plupart des solvants organiques, comme le chloroforme, par exemple. Nous trouvons aussi des lipides dans la cire de bougie, les graisses animales, l'huile d'olive et pratiquement tous les corps gras. La biochimie a compl√©t√© cette d√©finition en montrant que les lipides poss√©daient des voies de synth√®se communes. Cependant, il n'existe pas encore de d√©finition unique d'un lipide reconnue par l'ensemble de la communaut√© scientifique. Ceci tient probablement au fait que les lipides forment un ensemble de mol√©cules aux structures et aux fonctions extr√™mement vari√©es dans le monde du vivant[1].

D'un point de vue métabolique, les lipides constituent des réserves énergétiques. Les sucres sont par exemple transformés en lipides et stockés dans les cellules adipeuses en cas de consommation supérieure à l'utilisation.

Les lipides, en particulier les phospholipides, constituent l'√©l√©ment majeur des membranes cellulaires. Ils d√©finissent une s√©paration entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Leur caract√®re hydrophobe rend impossible le passage de mol√©cules polaires ou charg√©es, comme l'eau et les ions, car ils forment des groupements tr√®s compacts issus de liaisons covalentes faibles appel√©es interaction hydrophobe. Seules voies de passage possible : les prot√©ines membranaires o√Ļ, par exemple, les ions entrent et sortent de la cellule par le biais de canaux ioniques.

Plusieurs hormones sont des lipides, en général dérivées du cholestérol (progestérone, testostérone, etc.), ce qui permet d'agir comme filtre aux entrées des cellules. Les vitamines liposolubles peuvent aussi être classées parmi les lipides.

Contrairement aux acides nucléiques ou aux protéines, les lipides ne sont pas des macromolécules constituées d'une succession d'unités de base.

Structure et classification

Les lipides peuvent √™tre class√©s selon la structure de leur squelette carbon√© (atomes de carbone cha√ģn√©s, cycliques, pr√©sence d'insaturations, etc.)[2]:

  • les acylglyc√©rols et phosphoacylglyc√©rols : ces lipides sont form√©s par est√©rification d'un glyc√©rol et d'un √† trois acides gras (ou mono-, di- et triglyc√©rides). Dans le cas des phosphoacylglyc√©rols, l'est√©rification se fait avec glyc√©rol, un ou deux acides gras et un phosphate[3]. Le groupe phosphate peut √† son tour subir une est√©rification par diff√©rents compos√©s hydroxyl√©s comme la choline ou la s√©rine. On obtient alors de la phosphatidylcholine et de la phosphatidyls√©rine, respectivement. Il est √† noter qu'acylglyc√©rols et phosphoacylglyc√©rols sont √©galement connus sous les noms de glyc√©rides et phosphoglyc√©rides.
  • les polyk√©tides : ils forment une gamme tr√®s vaste de compos√©s naturels dont sont d√©riv√©s de nombreux antibiotiques comme les macrolides.

Pour des raisons pratiques et historiques, acylglycérol et phosphoacylglycérol sont souvent considérés comme deux catégories différentes, de même que phosphoacylglycérol et phosphosphingolipide peuvent être regroupés sous l'appellation de phospholipides[4].

Quelques exemples de lipides

Protéines (protides)

Articles d√©taill√©s : Prot√©ines et Acides amin√©s.
La myoglobine, protéine respiratoire des muscles.

Les prot√©ines (du grec pr√ītos, premier) sont des polym√®res compos√©s d'une combinaison de quelque 20 acides amin√©s. La plupart des prot√©ines sont form√©es de l'union de plus de 100 acides amin√©s (r√©sidus) reli√©s entre eux par des liaisons peptidiques. Pour un nombre moins important de r√©sidus on parle de peptides (< 50 r√©sidus) et de polypeptides (‚Č• 50 r√©sidus).

Acides aminés

Les acides amin√©s (¬ę amin ¬Ľ du grec amm√īniakos, ammoniac) sont des compos√©s organiques azot√©s qui poss√®dent une formule g√©n√©rale du type :

 NH_2 - HC_\alpha\ \mathbf{R} - COOH

L'atome de carbone central CőĪ (carbone alpha) est reli√© √† un groupement amine (NH2 -), √† un groupement carboxyl acide (- COOH) et √† un radical R variable d'un acide amin√© √† un autre. Les radicaux (R) peuvent avoir des propri√©t√©s diff√©rentes, certains sont hydrophiles, d'autres hydrophobes. Certains, en solution aqueuse, s'ionisent positivement (basiques) et d'autres n√©gativement (acides) ou restent neutres. Les mammif√®res poss√®dent les enzymes n√©cessaires pour la synth√®se de l'alanine, l'asparagine, l'aspartate, la cyst√©ine, le glutamate, la glutamine, la glycine, la proline, la s√©rine, et la tyrosine. Quant √† l'arginine et l'histidine, ils sont produits mais en quantit√© insuffisante surtout pour les jeunes individus. En revanche, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la m√©thionine, la ph√©nylalanine, la thr√©onine, le tryptophane, et la valine ne peuvent pas √™tre fabriqu√©s par notre organisme. Au risque de d√©ficit, ils doivent √™tre apport√©s r√©guli√®rement par l'alimentation dans les bonnes proportions : ce sont les acides amin√©s essentiels.

Structure des protéines

Les acides amin√©s peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique au cours de la synth√®se prot√©ique dans les ribosomes. La liaison peptidique se fait entre le groupement acide (COOH) d'un acide amin√© et le groupement amine (NH2) de l'autre :

 \begin{matrix} Acide \, amin\acute{e} \, (1) \\ \overbrace{ {\color{Blue}NH_2 - HC_\alpha\ \mathbf{R}_1 - COOH} } \end{matrix} + \begin{matrix} Acide \, amin\acute{e} \, (2) \\ \overbrace{ {\color{Red}NH_2 - HC_\alpha\ \mathbf{R}_2 - COOH} } \end{matrix}

la r√©action produit un di-peptide :

 {\color{Blue}NH_2 - HC_\alpha\ \mathbf{R}_1 - CO} - {\color{Red}NH - HC_\alpha\ \mathbf{R}_2 - COOH} + H_2O

Dans la cellule, cette réaction est catalysée par la peptidyl transférase, elle nécessite l'hydrolyse d'ATP (source d'énergie) et la présence d'ions magnésium. Pour chaque liaison formée, une molécule d'eau est formée.

La s√©quence des acides amin√©s d'une prot√©ine (l'arrangement et l'ordre des r√©sidus) constitue la structure primaire. Par exemple, pour construire un peptide de 10 r√©sidus √† l'aide de la collection de 20 acides amin√©s on dispose de 2010possibilit√©s (soit 1 suivi de 13 z√©ros !). En solution aqueuse, comme on a dit, les radicaux poss√®dent des propri√©t√©s chimiques diff√©rentes. Certains radicaux peuvent former des liaisons chimiques plus ou moins fortes avec d'autres radicaux de la m√™me cha√ģne peptidique. Certains se repoussent et d'autres se rapprochent et forment des liens chimiques. La cha√ģne d'acides amin√©s aura donc tendance √† se replier sur elle-m√™me pour adopter une structure tridimensionnelle pr√©cise. Et cette structure tridimensionnelle d√©pend avant tout de la s√©quence des acides amin√©s formant la cha√ģne. En effet, quatre grands types d'interactions interviennent dans le repliement de la cha√ģne peptidique :

Ces quatre premiers types d'interactions sont considérés comme étant faibles (forts lorsque nombreux cependant)

  • Les ponts disulfure (liaison covalente entre les atomes de soufre qui relient deux cyst√©ines √©loign√©es l'une de l'autre sur la cha√ģne). Cela constitue une interaction forte.

Ainsi certaines parties de la cha√ģne peptidique adoptent une structure r√©guli√®re appel√©e structure secondaire. On en reconna√ģt, selon les angles de torsion des liaisons, trois grands types :

  • L'h√©lice őĪ : la cha√ģne peptidique prend la forme d'une spirale. Les diff√©rentes spires sont stabilis√©es par des liaisons hydrog√®ne tous les 4 r√©sidus (liaisons hydrog√®nes dites "intracat√©naires").
  • Le feuillet ő≤ : il se forme des liaisons hydrog√®ne entre certains segments (brins ő≤) de la cha√ģne peptidique dispos√©s parall√®lement les uns par rapport aux autres (les liaisons hydrog√®nes sont dites "intercat√©naires"). L'ensemble forme comme un feuillet pliss√©.
  • Le coude ou ¬ę turn ¬Ľ : c'est une structure moins ordonn√©e qui forme g√©n√©ralement un lien court entre des structures ordonn√©es (h√©lice-h√©lice, feuillet-feuillet ou feuillet-h√©lice). Une boucle est un lien plus long.

La forme finale de la cha√ģne peptidique, c‚Äôest-√†-dire la structure tridimensionnelle qu'adopte la cha√ģne d'acides amin√©s, constitue la structure tertiaire de la prot√©ine (Voir la figure de la myoglobine en 3D).

Certaines prot√©ines, plus complexes, r√©sultent de l'assemblage des diff√©rentes cha√ģnes (monom√®res) ce qui constitue la structure quaternaire de la prot√©ine. Par exemple, l'h√©moglobine est form√©e de l'association de 4 cha√ģnes peptidiques.

La structure de la protéine peut être dénaturée par plusieurs facteurs notamment: la température, les pH extrêmes et l'augmentation de la force ionique dans le milieu ou par des agents chimiques dénaturants (2-mercaptoéthanol). La dénaturation de la structure 3D d'une protéine s'ensuit généralement par la perte de sa fonction. On parle de relation structure-fonction.

Fonctions

Les prot√©ines assurent plusieurs fonctions au sein des cellules et de l'organisme, qui sont √† l'essence m√™me de la vie. En voici une liste non exhaustive avec quelques exemples :

Exemples de quelques protéines

Protéome

Pour un total d‚Äôenviron 20 000 √† 25 000 g√®nes (g√©nome)[5], on estime √† un million le nombre de prot√©ines diff√©rentes qui peuvent √™tre produites dans les cellules humaines (prot√©ome). Le nombre de prot√©ines produites par le cerveau humain, dont le r√īle est essentiel pour son fonctionnement, est estim√© √† environ 12 000.

Acides nucléiques

Article d√©taill√© : acide nucl√©ique.
Mod√®le atomique d'une mol√©cule d'ADN bicat√©naire, form√©e par deux cha√ģnes de nucl√©otides enroul√©es en h√©lice.

Les acides nucl√©iques ont √©t√© isol√©s initialement des noyaux des cellules eucaryotes (du latin nucleus, noyau). Ce sont des macromol√©cules comportant des sous-unit√©s appel√©es nucl√©otides. On peut en distinguer deux grands types : les acides d√©soxyribonucl√©iques (ADN) et les acides ribonucl√©iques (ARN). L'ADN est le support universel de l'information g√©n√©tique (sauf pour certains virus). Gr√Ęce √† deux fonctions catalytiques cette mol√©cule assure la transmission et l'expression de l'information qu'elle contient :

Structure

Le nucl√©otide, unit√© de base des acides nucl√©iques, comporte trois composants: de l'acide phosphorique, un pentose et une base azot√©e :

  • L'acide phosphorique (H3PO4) poss√®de 3 fonctions acides. Deux de ces fonctions sont est√©rifi√©es par deux fonctions alcools port√©es par les carbones 3' et 5' du pentose. La troisi√®me fonction acide est libre. (On num√©rote les carbones avec des chiffres accompagn√©s de l‚Äôindication (') pour √©viter des confusions avec les num√©rotations des bases).
  • Le pentose (sucre en C5) : c'est le ribose, pr√©sent sous deux formes, le 2'-d√©soxyribose et le 2'-oxyribose, respectivement dans l'ADN et l'ARN. La liaison pentose-base est une liaison glycosidique. Elle se forme par √©limination d'une mol√©cule d'eau entre la base et l'OH semi-ac√©talique situ√© sur le carbone 1' de l'ose. L'association pentose-base est appel√©e nucl√©oside.
Appariement des bases dans l'ADN double brin

Dans l'ADN bicat√©naire les bases azot√©es des deux brins s'apparient suivant la r√®gle de compl√©mentarit√© : √Ä appari√© avec T, C appari√© avec G. Cet appariement est maintenu gr√Ęce √† des liaisons hydrog√®ne et peut donc √™tre affect√© par la chaleur (d√©naturation thermique). Par convention, la s√©quence d'un acide nucl√©ique est orient√©e dans le sens de l‚Äôextr√©mit√© 5' (comportant un groupement phosphate) vers l‚Äôextr√©mit√© 3' qui poss√®de un OH libre. Ainsi, dans l'ADN bicat√©naire (double brin), les deux brins sont dispos√©s dans deux directions oppos√©es. Les extr√©mit√©s 5' et 3' de l'un des brins correspondent aux extr√©mit√©s 3' et 5' du brin parall√®le oppos√© (anti-parall√®les). Dans l‚Äôespace les deux cha√ģnes pr√©sentent une configuration h√©lico√Įdale. Elles s‚Äôenroulent autour d‚Äôun axe imaginaire pour constituer une double h√©lice √† rotation droite (dans les formes A et B de l‚ÄôADN) ou plus exceptionnellement √† rotation gauche (dans la forme Z de l‚ÄôADN).

Information génétique

Classiquement, on consid√®re que le g√®ne est une r√©gion d'un brin d'ADN dont la s√©quence code l'information n√©cessaire √† la synth√®se d'une prot√©ine. Trois types d'ADN diff√©rents constituent le g√©nome (l'ensemble des g√®nes d'un individu ou d'une esp√®ce) :

  • L'ADN ¬ę domestique ¬Ľ : repr√©sentant environ 75 % du g√©nome, est form√© de g√®nes pr√©sents en un seul exemplaire ou en un nombre limit√© de copies. Toutefois, par extension, ce type d'ADN englobe √©galement certains g√®nes sp√©cifiques dits √† multicopies, comme ceux des ARN ribosomiques ou bien ceux codant les histones. Ces derniers existent sous forme de larges amas de copies (50-10 000 copies) localis√©s sur un ou plusieurs chromosomes.
  • L'ADN ¬ę r√©p√©titif et dispers√© ¬Ľ (minisatellites et microsatellites) : constitue 15 % du g√©nome et est caract√©ris√© par de courtes s√©quences nucl√©otidiques (sup√©rieures √† 100 pour les minis), r√©p√©t√©es en tandem un tr√®s grand nombre de fois (105 - 106 fois), en de nombreuses r√©gions du g√©nome.
  • L'ADN ¬ę satellite ¬Ľ : (environ 10 % du g√©nome) est constitu√© de s√©quences hautement r√©p√©titives, essentiellement localis√©es dans les r√©gions des centrom√®res et des t√©lom√®res.

Le g√©nome humain comprend environ 3 milliards de paires de nucl√©otides repr√©sentant pr√®s de 30 000 g√®nes (en fait, dans les estimations r√©centes, c'est entre 20 000 et 25 000 g√®nes). Toutefois, il ne semble pas y avoir de relation syst√©matique entre le nombre de paires de nucl√©otides par g√©nome et le degr√© de complexit√© d'un organisme. Ainsi, certaines plantes et organismes amphibiens poss√®dent un g√©nome comptant plus de 100 milliards de paires de nucl√©otides, soit 30 fois plus qu'un g√©nome humain. En effet, le g√©nome des cellules eucaryotes semble contenir un large exc√®s d'ADN. Chez les mammif√®res, moins de 10 % du g√©nome serait utile √† l'expression en prot√©ines ou √† la r√©gulation de cette expression.

La séquence complète du gène humain HSMG03 codant l'exon 3 de la myoglobine (taille: 1,2 kb), 3 milliards de ces 4 lettres forment le génome de l'espèce humaine (Homo sapiens).
       Origine
       1 GGTCCTGGAA TAAAGAGAAG GTAGGAGGAC AACTGACTCC CATCTGGCCC CTGGCTTGTC
      61 CCACCCTGGT GACCATTTTC TCTCCTCACC CTCCCTGCAG TTCATCTCGG AATGCATCAT
     121 CCAGGTTCTG CAGAGCAAGC ATCCCGGGGA CTTTGGTGCT GATGCCCAGG GGGCCATGAA
     181 CAAGGCCCTG GAGCTGTTCC GGAAGGACAT GGCCTCCAAC TACAAGGAGC TGGGCTTCCA
     241 GGGCTAGGCC CCTGCCGCTC CCACCCCCAC CCATCTGGGC CCCGGGTTCA AGAGAGAGCG
     301 GGGTCTGATC TCGTGTAGCC ATATAGAGTT TGCTTCTGAG TGTCTGCTTT GTTTAGTAGA
     361 GGTGGGCAGG AGGAGCTGAG GGGCTGGGGC TGGGGTGTTG AAGTTGGCTT TGCATGCCCA
     421 GCGATGCGCC TCCCTGTGGG ATGTCATCAC CCTGGGAACC GGGAGTGCCC TTGGCTCACT
     481 GTGTTCTGCA TGGTTTGGAT CTGAATTAAT TGTCCTTTCT TCTAAATCCC AACCGAACTT
     541 CTTCCAACCT CCAAACTGGC TGTAACCCCA AATCCAAGCC ATTAACTACA CCTGACAGTA
     601 GCAATTGTCT GATTAATCAC TGGCCCCTTG AAGACAGCAG AATGTCCCTT TGCAATGAGG
     661 AGGAGATCTG GGCTGGGCGG GCCAGCTGGG GAAGCATTTG ACTATCTGGA ACTTGTGTGT
     721 GCCTCCTCAG GTATGGCAGT GACTCACCTG GTTTTAATAA AACAACCTGC AACATCTCAG
     781 TTTCTGCCTG GCATTTTTCA TCTCCTAGAG TAAATGATGC CCCCACCAGC ACCAGCATCA
     841 AGGAAGAAAT GGGAGGAAGG CAGACCCTGG GCTTGTGTGT GCAGAGAGCC TCAGGAAAGA
     901 GGAGAAGGGG AGGAGGAAAG GCAGGAGGGT GAGAGGGACA GGAGCCCACC CTCCCTGGGC
     961 CACCGCTCAG AGGCAGGCCC AGTGCAGGGC ATGGGGAAAT GGAAGGGACA GGCTTGGCCC
    1021 CAGCCTTGGG AGCACCTTCT CTTCGGGGGA GGTGGGAGGC AGCGAACAGA CCTCTGCAAT
    1081 ACGAGGAGAG AGTGACAGGT GCGCCAGGCT GTGGGAACCC AGAGGAGAGG GGAAGCCATC
    1141 ATCATCATGG CTGCAATACC TTCAGTAACG TGGGAAGGTC ACCCTGCTAG TAAGTGGCAG
    1201 AGCTGGGACT CAAACTATGG CCTGGA 

(d'après Weller et al., 1984. EMBO J. 3(2); 439-446)

La taille des g√®nes peut varier de quelques centaines √† plusieurs dizaines de milliers de nucl√©otides. Cependant m√™me les plus longs g√®nes n'utilisent qu'une faible portion de leur s√©quence pour coder l'information n√©cessaire √† l'expression en prot√©ines. Ces r√©gions codantes sont appel√©es exons et les s√©quences non codantes introns. D'une mani√®re g√©n√©rale, plus l'organisme est complexe, plus la quantit√© et la taille des introns est importante. Ainsi la pr√©sence d'introns sur l'ADN d'organismes procaryotes est extr√™mement rare. Certaines r√©gions de l'ADN sont impliqu√©es dans la r√©gulation de l'expression des g√®nes. Ces s√©quences de r√©gulation sont g√©n√©ralement localis√©es en amont (du c√īt√© 5') ou en aval (c√īt√© 3') d'un g√®ne et plus rarement √† l'int√©rieur d'introns ou d'exons.

Vitamines

Article d√©taill√© : vitamine.
Cristaux de vitamine C.

Les vitamines (du latin vita, vie) sont des compos√©s organiques essentiels √† la vie, agissant √† de tr√®s faibles quantit√©s, pour le d√©veloppement, l'entretien et le fonctionnement de l'organisme. Nos cellules sont incapables de les synth√©tiser et elles doivent √™tre apport√©es par l'alimentation sous peine d'avitaminose ou de survitaminose. La vitamine B1 (thiamine) est la premi√®re vitamine √† avoir √©t√© d√©couverte par le japonais Suzuki Umetaro cherchant √† soigner le b√©rib√©ri (une maladie due au d√©ficit en vitamine B1, caract√©ris√©e par des atteintes musculaires et neurologiques). Elle fut isol√©e par Kazimierz Funk (biochimiste am√©ricain d'origine polonaise) en 1912. Aujourd'hui, on conna√ģt 13 vitamines diff√©rentes pour l'homme. C'est un ensemble h√©t√©rog√®ne du point de vue chimique et physiologique (mode d'action).

Les vitamines se divisent en deux grandes cat√©gories : les vitamines hydrosolubles (groupes B et C) et les vitamines liposolubles (les groupes A, D, E, et K). Les vitamines hydrosolubles ne peuvent pas franchir la membrane cellulaire et elle doivent se fixer √† un r√©cepteur pour p√©n√©trer la cellule. Elles sont facilement √©limin√©es par les reins et la sueur, l'alimentation doit les fournir quotidiennement. Les vitamines liposolubles peuvent facilement traverser la membrane cellulaire. Leur r√©cepteur se trouve dans la cellule, soit dans le cytosol, soit dans le noyau. Elles sont stock√©es dans le tissu adipeux et le foie (d'o√Ļ le risque de surdosage, surtout pour la vitamine A et D). Certaines vitamines sont des cofacteurs n√©cessaires √† l'activit√© d'enzymes (vitamines du groupe B), d'autres constituent une r√©serve de pouvoir r√©ducteur (vitamine C, E). Les fonctions des autres vitamines restent √† √©lucider.

Sous-disciplines de la biochimie

  • Biochimie structurale
  • Biochimie m√©tabolique
  • Biochimie g√©n√©tique
  • Biochimie fonctionnelle
  • Biochimie m√©dicale et clinique

Biochimie, une science multidisciplinaire

Un laboratoire à l'institut de biochimie de Cologne.

Pour mener √† bien leurs √©tudes, les biochimistes font appel √† des techniques et des connaissances issues de nombreuses disciplines scientifiques autres que la biologie, par exemple :

Disciplines Quelques applications
Chimie analytique

Elle utilise notamment les m√©thodes :

Chimio-synthèse
  • La synth√®se artificielle de peptides.
  • Les r√©acteurs enzymatiques (synth√®se de m√©tabolites √† grande √©chelle).
Cinétique chimique
Thermochimie
Physique

La d√©termination de structure des macromol√©cules :

Informatique

Appliqu√©e √† la biologie (√©galement appel√©e la bio-informatique), pour l'analyse de s√©quences nucl√©otidiques ou d'acides amin√©s :

Notes et références

  1. ‚ÜĎ Le site LIPD MAPS, un site de ressource sur les lipides, comptait 8259 entr√©es le 16 ao√Ľt 2006
  2. ‚ÜĎ (en) Fahy E., Subramaniam S., Brown H.A., Glass C.K., Merrill A.H. Jr., Murphy R.C., Raetz C.R., Russell D.W., Seyama Y., Shaw W., Shimizu T., Spener F., van Meer G., van Nieuwenhze M.S., White S.H., Witztum J.L., Dennis E.A. (2005) A comprehensive classification system for lipids, J Lipid Res., vol. 46(5):839-861
  3. ‚ÜĎ cette mol√©cule est appel√©e acide phosphatidique
  4. ‚ÜĎ Consulter l'entr√©e de l'IUPAC sur la nomenclature des lipides
  5. ‚ÜĎ Finishing the euchromatic sequence of the human genome, International Human Genome Consortium (2004) Nature 431: 931-945

Voir aussi

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Bibliographie

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