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S2018_Lecture05_Reading - Biologie

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PKa

paquetune est défini comme le log négatif10 de la constante de dissociation d'un acide, son Kune. Par conséquent, le pKune est une mesure quantitative de la facilité ou de la facilité avec laquelle l'acide abandonne son proton [H+] en solution et donc une mesure de la "force" de l'acide. Les acides forts ont un petit pKa, les acides faibles ont un plus grand pKa.

L'acide le plus courant dont nous parlerons dans BIS2A est le groupe fonctionnel acide carboxylique. Ces acides sont généralement faible acides, ce qui signifie qu'ils ne se dissocient que partiellement (en H+ cations et RCOO- anions) en solution neutre. Le HCL (chlorure d'hydrogène) est un fort acide, ce qui signifie qu'il se dissociera complètement en H+ et Cl-.

Notez que la principale différence dans la figure ci-dessous entre un acide ou une base forte et un acide ou une base faible est la flèche simple (forte) par rapport à une double flèche (faible). Dans le cas de la flèche unique, vous pouvez interpréter cela en imaginant que presque tous les réactifs ont été convertis en produits. De plus, il est difficile pour la réaction de revenir en arrière vers un état où les protons sont à nouveau associés à la molécule à laquelle ils étaient associés auparavant. Dans le cas d'un acide ou d'une base faible, la flèche à double face peut être interprétée en imaginant une réaction dans laquelle :

  1. les deux formes de acide ou base conjugué (c'est ce que nous appelons la molécule qui "contient" le proton - c'est-à-dire CH3OOH et CH3OO-, respectivement sur la figure) sont présents en même temps et
  2. le rapport de ces deux quantités peut changer facilement en déplaçant la réaction dans les deux sens.

Figure 1. Un exemple d'acides forts et de bases fortes dans leurs états de protonation et de déprotonation. La valeur de leur pKa est indiquée à gauche. Attribution : Marc T. Facciotti

L'électronégativité joue un rôle dans la force d'un acide. Si nous considérons le groupe hydroxyle comme exemple, la plus grande électronégativité de l'atome ou des atomes (indiqués R) attachés au groupe hydroxyle dans l'acide R-O-H entraîne une liaison H-O plus faible, qui est ainsi plus facilement ionisée. Cela signifie que l'attraction des électrons loin de l'atome d'hydrogène devient plus importante lorsque l'atome d'oxygène attaché à l'atome d'hydrogène est également attaché à un autre atome électronégatif. Un exemple de ceci est HOCL. Le Cl électronégatif polarise la liaison H-O, l'affaiblissant et facilitant l'ionisation de l'hydrogène. Si nous comparons cela à un acide faible où l'oxygène est lié à un atome de carbone (comme dans les acides carboxyliques), l'oxygène est lié à l'atome d'hydrogène et de carbone. Dans ce cas, l'oxygène n'est pas lié à un autre atome électronégatif. Ainsi, la liaison H-O n'est pas davantage déstabilisée et l'acide est considéré comme un acide faible (il n'abandonne pas le proton aussi facilement qu'un acide fort).

Figure 2. La force de l'acide peut être déterminée par l'électronégativité de l'atome auquel l'oxygène est lié. Par exemple, l'acide acétique faible, l'oxygène est lié au carbone, un atome à faible électronégativité. Dans l'acide fort, l'acide hypochloreux, l'atome d'oxygène est lié à un atome de chlorure encore plus électronégatif.
Attribution : Erin Easlon

Dans Bis2A, il vous sera demandé de relier le pH et le pKa l'un à l'autre lorsque vous discuterez de l'état de protonation d'un acide ou d'une base, par exemple dans les acides aminés. Comment pouvons-nous utiliser les informations données dans ce module pour répondre à la question : Les groupes fonctionnels sur l'acide aminé glutamate seront-ils protonés ou déprotonés à un pH de 2, à un pH de 8, à un pH de 11 ?

Afin de commencer à répondre à cette question, nous devons créer une relation entre le pH et le pKa. La relation entre le pKa et le pH est représentée mathématiquement par l'équation de Henderson-Hasselbach ci-dessous, où [A-] représente la forme déprotonée de l'acide et [HA] représente la forme protonée de l'acide.

Figure 3. L'équation d'Henderson-Hasselbach

Une solution à cette équation est obtenue en fixant pH = pKa. Dans ce cas, log([A-] / [HA]) = 0, et [A-] / [HA] = 1. Cela signifie que lorsque le pH est égal au pKa, il y a des quantités égales de formes protonées et déprotonées de l'acide. Par exemple, si le pKa de l'acide est de 4,75, à un pH de 4,75, cet acide existera à 50 % protoné et à 50 % déprotoné. Cela signifie également qu'à mesure que le pH augmente, une plus grande partie de l'acide sera convertie à l'état déprotoné et à un moment donné, le pH sera si élevé que la majorité de l'acide existera à l'état déprotoné.

Figure 4. Ce graphique illustre l'état de protonation de l'acide acétique lorsque le pH change. A un pH inférieur au pKa, l'acide est protoné. A un pH supérieur au pKa, l'acide est déprotoné. Si le pH est égal au pKa, l'acide est protoné à 50 % et déprotoné à 50 %. Attribution : Ivy José

Dans BIS2A, nous étudierons l'état de protonation et l'état de déprotonation des acides aminés. Les acides aminés contiennent plusieurs groupes fonctionnels qui peuvent être des acides ou des bases. Par conséquent, leur statut de protonation/déprotonation peut être plus compliqué. Vous trouverez ci-dessous la relation entre le pH et le pKa de l'acide aminé acide glutamique. Dans ce graphique, nous pouvons poser la question que nous avons posée précédemment : Les groupes fonctionnels sur l'acide aminé glutamate seront-ils protonés ou déprotonés à un pH de 2, à un pH de 8, à un pH de 11 ?

Figure 5. Ce graphique illustre l'état de protonation du glutamate lorsque le pH change. A un pH inférieur au pKa pour chaque groupe fonctionnel sur l'acide aminé, le groupe fonctionnel est protoné. A un pH supérieur au pKa du groupe fonctionnel, il est déprotoné. Si le pH est égal au pKa, le groupe fonctionnel est protoné à 50 % et déprotoné à 50 %.
Attribution : Ivy José

Remarque : discussion possible

  1. Quelle est la charge globale de glutamate libre à un pH de 5 ?
  2. Quelle est la charge globale de glutamate libre à un pH de 10 ?

Lipides

Lipides sont un groupe diversifié de composés hydrophobes qui comprennent des molécules comme les graisses, les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes. La plupart des lipides sont à leur base des hydrocarbures, des molécules qui incluent de nombreuses liaisons non polaires carbone-carbone ou carbone-hydrogène. L'abondance de groupes fonctionnels non polaires confère aux lipides un degré de caractère hydrophobe (« craignant l'eau ») et la plupart des lipides ont une faible solubilité dans l'eau. Selon leurs propriétés physiques (codées par leur structure chimique), les lipides peuvent remplir de nombreuses fonctions dans les systèmes biologiques, notamment le stockage d'énergie, l'isolation, la formation de barrières, la signalisation cellulaire. La diversité des molécules lipidiques et leur gamme d'activités biologiques sont peut-être étonnamment grandes pour la plupart des nouveaux étudiants en biologie. Commençons par développer une compréhension de base de cette classe de biomolécules.

Graisses et huiles

Une molécule de graisse commune ou triglycéride. Ces types de molécules sont généralement hydrophobes et, bien qu'ils aient de nombreuses fonctions, sont probablement mieux connus pour leur rôle dans les graisses corporelles et les huiles végétales. Molécule de triglycéride dérivée de deux types de composants moléculaires : un groupe "tête" polaire et un groupe "queue" non polaire. Le groupe "chef" d'un triglycéride est dérivé d'une seule molécule de glycérol. Le glycérol, un glucide, est composé de trois carbones, cinq hydrogènes et trois groupes fonctionnels hydroxyle (-OH). Le non polaire acide gras Le groupe "queue" se compose de trois hydrocarbures (un groupe fonctionnel composé de liaisons C-H) qui ont également un groupe fonctionnel carboxyle polaire (d'où le terme "acide gras" - le groupe carboxyle est acide au pH le plus biologiquement pertinent). Le nombre de carbones dans l'acide gras peut aller de 4 à 36 ; les plus courants sont ceux contenant 12-18 carbones.

Figure 1. Le triacylglycérol est formé par la jonction de trois acides gras à un squelette de glycérol dans une réaction de déshydratation. Trois molécules d'eau sont libérées dans le processus.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Remarque : discussion possible

Les modèles des triglycérides montrés ci-dessus décrivent le relatif positions des atomes dans la molécule. Si vous recherchez des images de triglycérides sur Google, vous trouverez des modèles qui montrent les queues phospholipidiques dans des positions différentes de celles illustrées ci-dessus. À l'aide de votre intuition, donnez une opinion pour quel modèle vous pensez être une représentation plus correcte de la vie réelle. Pourquoi?

Figure 2. L'acide stéarique est un acide gras saturé commun; l'acide oléique et l'acide linolénique sont des acides gras insaturés courants.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Remarque : discussion possible

Les graisses naturelles comme le beurre, l'huile de canola, etc., sont principalement composées de triglycérides. Les propriétés physiques de ces différentes graisses varient en fonction de deux facteurs :
1) Le nombre de carbones dans les chaînes hydrocarbonées ;
2) Le nombre de désaturations, ou doubles liaisons, dans les chaînes hydrocarbonées.
Le premier facteur influence la façon dont ces molécules interagissent entre elles et avec l'eau, tandis que le second facteur influence considérablement leur forme. L'introduction d'une double liaison provoque un « pli » dans l'hydrocarbure par ailleurs relativement « droit », représenté d'une manière légèrement exagérée sur la figure 3.

Sur la base de ce que vous pouvez comprendre de cette brève description, proposez une justification - dans vos propres mots - pour expliquer pourquoi le beurre est solide à température ambiante alors que l'huile végétale est liquide.

Voici une information importante qui pourrait vous aider avec la question : le beurre a un plus grand pourcentage d'hydrocarbures plus longs et saturés dans ses triglycérides que l'huile végétale.

figure 3. L'acide gras saturé simple par rapport à l'acide gras insaturé "courbé"/"coudé".
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Stérols

Stéroïdes sont des lipides à structure annulaire fusionnée. Bien qu'ils ne ressemblent pas aux autres lipides discutés ici, ils sont désignés comme des lipides car ils sont également en grande partie composés de carbone et d'hydrogène, sont hydrophobes et insolubles dans l'eau. Tous les stéroïdes ont quatre anneaux de carbone liés. De nombreux stéroïdes ont également le groupe fonctionnel -OH qui les place dans la classification des alcools des stérols. Plusieurs stéroïdes, comme le cholestérol, ont une queue courte. Le cholestérol est le stéroïde le plus courant. Il est principalement synthétisé dans le foie et est le précurseur de nombreuses hormones stéroïdes telles que la testostérone. C'est aussi le précurseur de la vitamine D et des sels biliaires qui aident à la émulsification des graisses et leur absorption ultérieure par les cellules. Bien que le cholestérol soit souvent évoqué en termes négatifs, il est nécessaire au bon fonctionnement de nombreuses cellules animales, notamment dans son rôle de composant de la membrane plasmique où il est connu pour moduler la structure, l'organisation et la fluidité membranaires.

Figure 4. Le cholestérol est une molécule lipidique modifiée qui est synthétisée par les cellules animales et est un élément structurel clé des membranes cellulaires. Le cortisol est une hormone (molécule de signalisation) qui est souvent libérée en réponse au stress.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Remarque : discussion possible

Dans la molécule de cortisol ci-dessus, quelles parties de la molécule classeriez-vous comme groupes fonctionnels ? Y a-t-il un désaccord sur ce qui devrait et ne devrait pas être inclus en tant que groupe fonctionnel ?

Phospholipides

Phospholipides sont des constituants majeurs de la membrane cellulaire, la couche la plus externe des cellules. Comme les graisses, elles sont composées de chaînes d'acides gras attachées à la molécule de glycérol. Contrairement aux triacylglycérols, les phospholipides ont deux queues d'acides gras et un groupe phosphate attaché au sucre. Les phospholipides sont donc amphipathique molécules, c'est-à-dire qu'elles ont une partie hydrophobe et une partie hydrophile. Les deux chaînes d'acides gras s'étendant du glycérol sont hydrophobes et ne peuvent pas interagir avec l'eau, tandis que le groupe de tête contenant du phosphate est hydrophile et interagit avec l'eau. Pouvez-vous identifier les groupes fonctionnels sur le phospholipide ci-dessous qui donnent à chaque partie du phospholipide ses propriétés ?

Noter

Assurez-vous de noter sur la figure 5 que le groupe phosphate a un groupe R lié à l'un des atomes d'oxygène. R est une variable couramment utilisée dans ces types de diagrammes pour indiquer qu'un autre atome ou molécule est lié à cette position. Cette partie de la molécule peut être différente dans différents phospholipides et donnera une chimie différente à la molécule entière. À l'heure actuelle, cependant, vous êtes responsable de pouvoir reconnaître ce type de molécule (quel que soit le groupe R) en raison des éléments de base communs - le squelette glycérol, le groupe phosphate et les deux queues d'hydrocarbures.

Figure 5. Un phospholipide est une molécule avec deux acides gras et un groupe phosphate modifié attaché à un squelette de glycérol. Le phosphate peut être modifié par addition de groupements chimiques chargés ou polaires. Plusieurs groupes chimiques R peuvent modifier le phosphate. La choline, la sérine et l'éthanolamine sont présentées ici. Ceux-ci se fixent au groupe phosphate à la position marquée R via leurs groupes hydroxyle.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

En présence d'eau, certains phospholipides vont spontanément se ranger en une micelle (Figure 6). Les lipides seront disposés de telle sorte que leurs groupes polaires seront à l'extérieur de la micelle, et les queues non polaires seront à l'intérieur. Dans d'autres conditions, une bicouche lipidique peut également se former. Cette structure, de quelques nanomètres d'épaisseur seulement, est composée de deux couches opposées de phospholipides de telle sorte que toutes les queues hydrophobes s'alignent face à face au centre de la bicouche et sont entourées par les groupes de tête hydrophiles. Une bicouche phospholipidique se forme comme structure de base de la plupart des membranes cellulaires et est responsable de la nature dynamique de la membrane plasmique.

Figure 6. En présence d'eau, certains phospholipides vont spontanément se disposer en micelle.
Source : Créé par Erin Easlon (propre travail)

Remarque : discussion possible

Comme mentionné ci-dessus, si vous deviez prendre des phospholipides purs et les laisser tomber dans de l'eau, une partie des phospholipides se formerait spontanément en micelles. Cela ressemble à un processus qui pourrait être décrit par une histoire énergétique.

Revenez à la rubrique Histoire d'énergie et essayez de créer une histoire d'énergie pour ce processus - je m'attends à ce que les étapes impliquant la description de l'énergie puissent être difficiles à ce stade (nous y reviendrons plus tard) mais vous devriez être capable de faire au moins les trois premières étapes. Vous pouvez également critiquer de manière constructive le travail de chacun pour créer une histoire optimisée.

La membrane phospholipidique est discutée en détail dans un module ultérieur. Il sera important de se rappeler les propriétés chimiques associées aux groupes fonctionnels dans le phospholipide afin de comprendre la fonction de la membrane cellulaire.

Les glucides

Les glucides sont l'une des quatre principales classes de macromolécules qui composent toutes les cellules et sont une partie essentielle de notre alimentation ; les céréales, les fruits et les légumes sont tous des sources naturelles. Bien que nous soyons plus familiers avec le rôle que jouent les glucides dans la nutrition, ils ont également une variété d'autres fonctions essentielles chez les humains, les animaux, les plantes et les bactéries. Dans cette section, nous discuterons et passerons en revue les concepts de base de la structure et de la nomenclature des glucides, ainsi qu'une variété de fonctions qu'ils jouent dans les cellules.

Structures moléculaires

Dans leur forme la plus simple, les glucides peut être représenté par la formule stoechiométrique (CH2O)m, où m est le nombre de carbones dans la molécule. Pour les glucides simples, le rapport carbone/hydrogène/oxygène dans la molécule est de 1:2:1. Cette formule explique également l'origine du terme « hydrate de carbone » : les composants sont le carbone (« carbo ») et les composants de l'eau (« hydrate »). Les glucides simples sont classés en trois sous-types : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides, qui seront discutés ci-dessous. Alors que les glucides simples entrent bien dans ce rapport 1:2:1, les glucides peuvent également être structurellement plus complexes. Par exemple, de nombreux glucides contiennent des groupes fonctionnels (souvenez-vous-en de notre discussion de base sur la chimie) en plus de l'hydroxyle évident. Par exemple, les glucides peuvent avoir des phosphates ou des groupes amino substitués à divers sites dans la molécule. Ces groupes fonctionnels peuvent fournir des propriétés supplémentaires à la molécule et modifieront sa fonction globale. Cependant, même avec ces types de substitutions, la structure globale de base du glucide est conservée et facilement identifiée.

Nomenclature

Un problème avec la chimie des glucides est la nomenclature. Voici quelques règles simples et rapides :

  1. Les glucides simples, tels que le glucose, le lactose ou le dextrose, se terminent par un "-ose".
  2. Les glucides simples peuvent être classés en fonction du nombre d'atomes de carbone dans la molécule, comme le triose (trois carbones), le pentose (cinq carbones) ou l'hexose (six carbones).
  3. Les glucides simples peuvent être classés en fonction du groupe fonctionnel présent dans la molécule, c'est-à-dire le cétose (contient une cétone) ou l'aldose (contient un aldéhyde).
  4. Les polysaccharides sont souvent organisés par le nombre de molécules de sucre dans la chaîne, comme dans un monosaccharide, un disaccharide ou un trisaccharide.

Pour une courte vidéo sur la classification des glucides, voir la vidéo de 10 minutes de la Khan Academy en cliquant ici.

Monosaccharides

Monosaccharides ("mono-" = un; "sacchar-" = sucré) sont des sucres simples; le plus courant est le glucose. Dans les monosaccharides, le nombre de carbones varie généralement de trois à sept. Si le sucre a un groupe aldéhyde (le groupe fonctionnel de structure R-CHO), il est appelé aldose ; s'il possède un groupe cétone (le groupe fonctionnel de structure RC(=O)R'), il est appelé cétose.

Figure 1. Les monosaccharides sont classés en fonction de la position de leur groupe carbonyle et du nombre de carbones dans le squelette. Les aldoses ont un groupe carbonyle (indiqué en vert) à la fin de la chaîne carbonée et les cétoses ont un groupe carbonyle au milieu de la chaîne carbonée. Les trioses, les pentoses et les hexoses ont respectivement trois, cinq et six carbones dans leur squelette. Facciotti (propre travail)

Glucose contre galactose

galactose (partie de lactose, ou sucre de lait) et glucose (trouvés dans le saccharose, le glucose disaccharide) sont d'autres monosaccharides courants. La formule chimique du glucose et du galactose est C6H12O6; les deux sont des hexoses, mais les arrangements des groupes hydrogène et hydroxyle sont différents en position C4. En raison de cette petite différence, ils diffèrent structurellement et chimiquement et sont connus sous le nom d'isomères chimiques en raison de la disposition différente des groupes fonctionnels autour du carbone asymétrique; ces deux monosaccharides ont plus d'un carbone asymétrique (comparez les structures dans la figure ci-dessous).

Fructose versus glucose et galactose

Une deuxième comparaison peut être faite en examinant le glucose, le galactose et fructose (le deuxième glucide qui, avec le glucose, constitue le saccharose disaccharidique et est un sucre commun trouvé dans les fruits). Tous les trois sont des hexoses ; cependant, il existe une différence structurelle majeure entre le glucose et le galactose par rapport au fructose : le carbone qui contient le carbonyle (C=O).

Dans le glucose et le galactose, le groupe carbonyle est sur le C1 carbone, formant un aldéhyde grouper. Dans le fructose, le groupe carbonyle est sur le C2 carbone, formant un cétone grouper. Les anciens sucres sont appelés aldoses sur la base du groupe aldéhyde qui est formé ; ce dernier est désigné comme un cétose basé sur le groupe cétone. Encore une fois, cette différence confère au fructose des propriétés chimiques et structurelles différentes de celles des aldoses, du glucose et du galactose, même si le fructose, le glucose et le galactose ont tous la même composition chimique : C6H12O6.

Figure 2. Le glucose, le galactose et le fructose sont tous des hexoses. Ce sont des isomères de structure, ce qui signifie qu'ils ont la même formule chimique (C6H12O6) mais un arrangement différent des atomes.

Forme linéaire ou annulaire des monosaccharides

Les monosaccharides peuvent exister sous forme de chaîne linéaire ou de molécules en forme d'anneau. Dans les solutions aqueuses, les monosaccharides se trouvent généralement sous forme d'anneau (Figure 3). Le glucose sous forme cyclique peut avoir deux arrangements différents du groupe hydroxyle (OH) autour du carbone anomérique (C1 qui devient asymétrique dans le processus de formation de l'anneau). Si le groupe hydroxyle est inférieur à C1 dans le sucre, on dit qu'il est en position alpha (α), et s'il est au-dessus de C1 dans le sucre, on dit qu'il est en position bêta (β).

Figure 3. Des monosaccharides à cinq et six carbones existent en équilibre entre la forme linéaire et cyclique. Lorsque l'anneau se forme, la chaîne latérale sur laquelle il se ferme est verrouillée en position α ou β. Le fructose et le ribose forment également des cycles, bien qu'ils forment des cycles à cinq chaînons par opposition au cycle à six chaînons du glucose.

Disaccharides

Disaccharides ("di-" = deux) se forment lorsque deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (également connue sous le nom de réaction de condensation ou de synthèse de déshydratation). Au cours de ce processus, le groupe hydroxyle d'un monosaccharide se combine avec l'hydrogène d'un autre monosaccharide, libérant une molécule d'eau et formant une liaison covalente. Une liaison covalente formée entre une molécule d'hydrate de carbone et une autre molécule (dans ce cas, entre deux monosaccharides) est connue sous le nom de glycosidique lier. Les liaisons glycosidiques (également appelées liaisons glycosidiques) peuvent être de type alpha ou bêta.

Figure 4. Le saccharose est formé lorsqu'un monomère de glucose et un monomère de fructose sont joints dans une réaction de déshydratation pour former une liaison glycosidique. Dans le processus, une molécule d'eau est perdue. Par convention, les atomes de carbone dans un monosaccharide sont numérotés à partir du carbone terminal le plus proche du groupe carbonyle. Dans le saccharose, une liaison glycosidique est formée entre le C1 carbone dans le glucose et le C2 carbone en fructose.

Les disaccharides courants comprennent le lactose, le maltose et le saccharose (Figure 5). Le lactose est un disaccharide constitué des monomères glucose et galactose. On le trouve naturellement dans le lait. Le maltose, ou malt/sucre de grain, est un disaccharide formé par une réaction de déshydratation entre deux molécules de glucose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, ou sucre de table, qui est composé des monomères glucose et fructose.

Figure 5. Les disaccharides courants comprennent le maltose (sucre de grain), le lactose (sucre du lait) et le saccharose (sucre de table).

Polysaccharides

Une longue chaîne de monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques est connue sous le nom de polysaccharide ("poly-" = plusieurs). La chaîne peut être ramifiée ou non ramifiée, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Le poids moléculaire peut être de 100 000 Daltons ou plus, selon le nombre de monomères joints. L'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont des exemples principaux de polysaccharides.

L'amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composé d'un mélange d'amylose et d'amylopectine ; les deux sont des polymères de glucose. Les plantes sont capables de synthétiser du glucose. L'excès de glucose, la quantité synthétisée qui dépasse les besoins énergétiques immédiats de la plante, est stocké sous forme d'amidon dans différentes parties de la plante, y compris les racines et les graines. L'amidon contenu dans les graines fournit de la nourriture à l'embryon pendant sa germination et peut également servir de source de nourriture pour les humains et les animaux qui peuvent manger la graine. L'amidon consommé par les humains est décomposé par des enzymes, telles que les amylases salivaires, en molécules plus petites, telles que le maltose et le glucose.

L'amidon est composé de monomères de glucose qui sont reliés par 1 à 4 ou 1 à 6 liaisons glycosidiques ; les nombres 1-4 et 1-6 font référence au nombre de carbones des deux résidus qui se sont joints pour former la liaison. Comme illustré sur la figure 6, l'amylose est de l'amidon formé par des chaînes non ramifiées de monomères de glucose (seulement 1 à 4 liaisons), tandis que l'amylopectine est un polysaccharide ramifié (1 à 6 liaisons aux points de ramification).

Figure 6. L'amylose et l'amylopectine sont deux formes différentes d'amidon. L'amylose est composé de chaînes non ramifiées de monomères de glucose reliés par 1 à 4 liaisons glycosidiques. L'amylopectine est composée de chaînes ramifiées de monomères de glucose reliés par des liaisons glycosidiques 1-4 et 1-6. En raison de la façon dont les sous-unités sont jointes, les chaînes de glucose ont une structure hélicoïdale. Le glycogène (non représenté) est de structure similaire à l'amylopectine mais plus fortement ramifié.

Glycogène

Le glycogène est une forme stockée courante de glucose chez l'homme et d'autres vertébrés. Le glycogène est l'équivalent animal de l'amidon et est une molécule hautement ramifiée généralement stockée dans les cellules du foie et des muscles. Chaque fois que la glycémie diminue, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose dans un processus connu sous le nom de glycogénolyse.

Cellulose

La cellulose est le biopolymère naturel le plus abondant. La paroi cellulaire des plantes est principalement constituée de cellulose, qui fournit un support structurel à la cellule. Le bois et le papier sont principalement de nature cellulosique. La cellulose est constituée de monomères de glucose liés par des liaisons glycosidiques 1-4.

Figure 7. Dans la cellulose, les monomères de glucose sont liés en chaînes non ramifiées par des liaisons glycosidiques 1-4. En raison de la manière dont les sous-unités de glucose sont jointes, chaque monomère de glucose est inversé par rapport au suivant, ce qui donne une structure fibreuse linéaire.

Remarque : discussion possible

La cellulose est peu soluble dans l'eau à l'état cristallin ; cela peut être approximé par la représentation des fibres de cellulose empilées ci-dessus. Pouvez-vous suggérer une raison pour laquelle (en fonction des types d'interactions) cela pourrait être si insoluble ?

Comme le montre la figure ci-dessus, tous les autres monomères de glucose dans la cellulose sont retournés et les monomères sont emballés étroitement sous forme de longues chaînes étendues. Cela donne à la cellulose sa rigidité et sa haute résistance à la traction, ce qui est si important pour les cellules végétales. Alors que la liaison β 1-4 ne peut pas être décomposée par les enzymes digestives humaines, les herbivores tels que les vaches, les koalas, les buffles et les chevaux sont capables, avec l'aide de la flore spécialisée de leur estomac, de digérer des matières végétales riches en cellulose. et l'utiliser comme source de nourriture. Chez ces animaux, certaines espèces de bactéries et de protistes résident dans le rumen (partie du système digestif des herbivores) et sécrètent l'enzyme cellulase. L'appendice des animaux au pâturage contient également des bactéries qui digèrent la cellulose, ce qui lui confère un rôle important dans le système digestif des ruminants. Les cellulases peuvent décomposer la cellulose en monomères de glucose qui peuvent être utilisés comme source d'énergie par l'animal. Les termites sont également capables de décomposer la cellulose en raison de la présence d'autres organismes dans leur corps qui sécrètent des cellulases.

Interactions avec les glucides

Nous venons de discuter des différents types et structures de glucides trouvés en biologie. La prochaine chose à aborder est de savoir comment ces composés interagissent avec d'autres composés. La réponse à cela est que cela dépend de la structure finale du glucide. Parce que les glucides ont de nombreux groupes hydroxyles associés à la molécule, ils sont donc excellents Donneurs d'obligations H et accepteurs. Les monosaccharides peuvent former rapidement et facilement des liaisons H avec l'eau et sont facilement solubles. Toutes ces liaisons H les rendent également assez "collantes". Ceci est également vrai pour de nombreux disaccharides et de nombreux polymères à chaîne courte. Les polymères plus longs peuvent ne pas être facilement solubles.

Enfin, la capacité de former une variété de liaisons H permet aux polymères d'hydrates de carbone ou polysaccharides pour former de fortes liaisons intramoléculaires et intermoléculaires. Dans un polymère, parce qu'il y a tellement de liaisons H, cela peut fournir beaucoup de force à la molécule ou au complexe moléculaire, surtout si les polymères interagissent. Pensez à la cellulose, un polymère du glucose, si vous avez des doutes.

Acides nucléiques

Il existe deux types d'acides nucléiques en biologie : l'ADN et l'ARN. L'ADN porte l'information génétique héréditaire de la cellule et est composé de deux brins antiparallèles de nucléotides disposés en une structure hélicoïdale. Chaque sous-unité nucléotidique est composée d'un sucre pentose (désoxyribose), d'une base azotée et d'un groupe phosphate. Les deux brins s'associent via des liaisons hydrogène entre des bases azotées chimiquement complémentaires. Les interactions connues sous le nom d'interactions "d'empilement de bases" aident également à stabiliser la double hélice. Contrairement à l'ADN, l'ARN peut être soit simple brin, soit double brin. Il est également composé d'un sucre pentose (ribose), d'une base azotée et d'un groupe phosphate. L'ARN est une molécule de nombreuses astuces. Il est impliqué dans la synthèse des protéines en tant que messager, régulateur et catalyseur du processus. L'ARN est également impliqué dans divers autres processus de régulation cellulaire et aide à catalyser certaines réactions clés (nous en parlerons plus tard). En ce qui concerne l'ARN, dans ce cours, nous nous intéressons principalement à (a) connaître la structure moléculaire de base de l'ARN et ce qui le distingue de l'ADN, (b) comprendre la chimie de base de la synthèse de l'ARN qui se produit au cours d'un processus appelé transcription, (c ) apprécier les différents rôles que l'ARN peut avoir dans la cellule, et (d) apprendre les principaux types d'ARN que vous rencontrerez le plus fréquemment (c'est-à-dire ARNm, ARNr, ARNt, miARN, etc.) et les associer aux processus dans lesquels ils sont impliqués avec. Dans ce module, nous nous concentrons principalement sur les structures chimiques de l'ADN et de l'ARN et sur la façon dont ils peuvent être distingués les uns des autres.

Structure nucléotidique

Les deux principaux types d'acides nucléiques sont acide désoxyribonucléique (ADN) et acide ribonucléique (ARN). L'ADN et l'ARN sont constitués de monomères appelés nucléotides. Les nucléotides individuels se condensent les uns avec les autres pour former un acide nucléique polymère. Chaque nucléotide est composé de trois composants : une base azotée (pour laquelle il existe cinq types différents), un sucre pentose et un groupe phosphate. Ceux-ci sont représentés ci-dessous. La principale différence entre ces deux types d'acides nucléiques est la présence ou l'absence d'un groupe hydroxyle au C2 position, également appelée position 2' (lire "deux premiers"), du pentose (voir la légende de la figure 1 et la section sur le sucre pentose pour en savoir plus sur la numérotation des carbones). L'ARN a un groupe fonctionnel hydroxyle à cette position 2' du sucre pentose; le sucre est appelé ribose, d'où le nom riboacide nucléique. En revanche, l'ADN n'a pas le groupe hydroxyle à cette position, d'où le nom "désoxy" riboacide nucléique. L'ADN a un atome d'hydrogène en position 2'.

Figure 1. Un nucléotide est composé de trois composants : une base azotée, un sucre pentose et un ou plusieurs groupes phosphate. Les carbones dans le pentose sont numérotés de 1′ à 5′ (le nombre premier distingue ces résidus de ceux de la base, qui sont numérotés sans utiliser de notation nombre premier). La base est attachée à la position 1' du ribose, et le phosphate est attaché à la position 5'. Lorsqu'un polynucléotide est formé, le phosphate 5' du nucléotide entrant se fixe au groupe hydroxyle 3' à la fin de la chaîne en croissance. Deux types de pentose se trouvent dans les nucléotides, le désoxyribose (présent dans l'ADN) et le ribose (présent dans l'ARN). Le désoxyribose a une structure similaire au ribose, mais il a un -H au lieu d'un -OH en position 2'. Les bases peuvent être divisées en deux catégories : les purines et les pyrimidines. Les purines ont une structure à double cycle et les pyrimidines ont un seul cycle.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

La base azotée

Les bases azotées des nucléotides sont des molécules organiques et sont ainsi nommées car elles contiennent du carbone et de l'azote. Ce sont des bases car elles contiennent un groupe amino qui a le potentiel de lier un hydrogène supplémentaire, et donc d'agir comme une base en diminuant la concentration en ions hydrogène dans l'environnement local. Chaque nucléotide de l'ADN contient l'une des quatre bases azotées possibles : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T). En revanche, l'ARN contient de l'adénine (A), de la guanine (G) de la cytosine (C) et de l'uracile (U) au lieu de la thymine (T).

L'adénine et la guanine sont classées comme purines. La principale caractéristique structurelle distinctive d'une purine est le double cycle carbone-azote. La cytosine, la thymine et l'uracile sont classées comme pyrimidines. Ceux-ci se distinguent structurellement par un seul cycle carbone-azote. On s'attendra à ce que vous reconnaissiez que chacune de ces structures cycliques est décorée par des groupes fonctionnels qui peuvent être impliqués dans une variété de chimies et d'interactions.

Remarque : pratiquez

Prenez un moment pour revoir les bases azotées de la figure 1. Identifiez les groupes fonctionnels tels que décrits en classe. Pour chaque groupe fonctionnel identifié, décrivez dans quel type de chimie vous vous attendez à ce qu'il soit impliqué. Essayez d'identifier si le groupe fonctionnel peut agir en tant que donneur de liaison hydrogène, accepteur ou les deux ?

Le sucre pentose

Le sucre pentose contient cinq atomes de carbone. Chaque atome de carbone de la molécule de sucre est numéroté comme 1′, 2′, 3′, 4′ et 5′ (1′ est lu comme « un premier »). Les deux principaux groupes fonctionnels qui sont attachés au sucre sont souvent nommés en référence au carbone auquel ils sont liés. Par exemple, le résidu phosphate est attaché au carbone 5' du sucre et le groupe hydroxyle est attaché au carbone 3' du sucre. Nous utiliserons souvent le nombre de carbones pour désigner les groupes fonctionnels sur les nucléotides, alors soyez très familier avec la structure du sucre pentose.

Le sucre pentose dans l'ADN est appelé désoxyribose, et dans l'ARN, le sucre est le ribose. La différence entre les sucres est la présence du groupe hydroxyle sur le carbone 2' du ribose et son absence sur le carbone 2' du désoxyribose. Vous pouvez donc déterminer si vous regardez un nucléotide d'ADN ou d'ARN par la présence ou l'absence du groupe hydroxyle sur l'atome de carbone 2' - vous serez probablement invité à le faire à de nombreuses occasions, y compris lors d'examens.

Le groupe phosphate

Il peut y avoir n'importe où entre un et trois groupes phosphate liés au carbone 5' du sucre. Lorsqu'un phosphate est lié, le nucléotide est appelé un Nnucléotide MonoPphosphate (NMP). Si deux phosphates sont liés, le nucléotide est appelé Nnucléotide jePphosphate (NPD). Lorsque trois phosphates sont liés au nucléotide, on parle de Nnucléotide TriPphosphate (NTP). Les liaisons phosphoanhydride entre qui relient les groupes phosphate les uns aux autres ont des propriétés chimiques spécifiques qui les rendent bonnes pour diverses fonctions biologiques. L'hydrolyse des liaisons entre les groupements phosphate est thermodynamiquement exergonique dans des conditions biologiques ; la nature a développé de nombreux mécanismes pour coupler ce changement négatif d'énergie libre pour aider à conduire de nombreuses réactions dans la cellule. La figure 2 montre la structure du nucléotide triphosphate Adénosine Triphosphate, ATP, que nous aborderons plus en détail dans d'autres chapitres.

Remarque : obligations « à haute énergie »

Le terme "liaison à haute énergie" est BEAUCOUP utilisé en biologie. Ce terme est cependant un raccourci verbal qui peut prêter à confusion. Le terme fait référence à la quantité d'énergie libre négative associée à l'hydrolyse de la liaison en question. L'eau (ou un autre partenaire réactionnel équivalent) est un contributeur important au calcul de l'énergie. Dans l'ATP, par exemple, simplement « casser » une liaison phosphoanhydride - disons avec des pincettes moléculaires imaginaires - en retirant un phosphate ne serait pas énergétiquement favorable. Il faut donc se garder de dire que la rupture des liaisons en ATP est énergétiquement favorable ou que cela « libère de l'énergie ». Au contraire, nous devrions être plus précis, en notant que l'hydrolyse de la liaison est énergétiquement favorable. Une partie de cette idée fausse commune est liée, à notre avis, à l'utilisation du terme « obligations à haute énergie ». Alors que dans Bis2a, nous avons essayé de minimiser l'utilisation de la "haute énergie" vernaculaire en faisant référence aux liaisons, en essayant plutôt de décrire les réactions biochimiques en utilisant des termes plus spécifiques, en tant qu'étudiants en biologie, vous rencontrerez sans aucun doute le potentiel trompeur - bien qu'il soit certes utile - raccourci « lien haute énergie » au fur et à mesure que vous poursuivez vos études. Alors, gardez ce qui précède à l'esprit lorsque vous lisez ou écoutez diverses discussions en biologie. Heck, utilisez le terme vous-même. Assurez-vous simplement que vous comprenez vraiment à quoi cela fait référence.

Figure 2. L'ATP (adénosine triphosphate) possède trois groupes phosphate qui peuvent être éliminés par hydrolyse pour former l'ADP (adénosine diphosphate) ou l'AMP (adénosine monophosphate). Facciotti (œuvre originale)

Structure en double hélice de l'ADN

L'ADN a une structure en double hélice (illustrée ci-dessous) créée par deux brins de sous-unités nucléotidiques liées de manière covalente. Les groupes sucre et phosphate de chaque brin de nucléotides sont positionnés à l'extérieur de l'hélice, formant le squelette de l'ADN (mis en évidence par les rubans orange sur la figure 3). Les deux brins de l'hélice vont dans des directions opposées, ce qui signifie que l'extrémité de carbone 5' d'un brin fera face à l'extrémité de carbone 3' de son brin correspondant (voir les figures 4 et 5). Nous avons qualifié cette orientation des deux brins de antiparallèle. Notez également que les groupes phosphate sont représentés sur la figure 3 sous la forme de "bâtons" orange et rouges dépassant du ruban. Les phosphates sont chargés négativement aux pH physiologiques et confèrent donc au squelette de l'ADN un fort caractère local chargé négativement. En revanche, les bases azotées sont empilées à l'intérieur de l'hélice (elles sont représentées par des bâtons verts, bleus, rouges et blancs sur la figure 3). Des paires de nucléotides interagissent les unes avec les autres par des liaisons hydrogène spécifiques (illustrées à la figure 5). Chaque paire est séparée de la paire de bases suivante dans l'échelle de 0,34 nm et cet empilement étroit et cette orientation planaire donnent lieu à des interactions d'empilement de bases énergétiquement favorables. La chimie spécifique associée à ces interactions dépasse le contenu de Bis2a mais est décrite plus en détail ici pour les étudiants curieux ou plus avancés. Cependant, nous nous attendons à ce que les étudiants soient conscients que l'empilement des bases azotées contribue à la stabilité de la double hélice et qu'ils s'en remettent à vos instructeurs de génétique et de chimie organique de division supérieure pour remplir les détails chimiques.

figure 3. L'ADN natif est une double hélice antiparallèle. Le squelette phosphate (indiqué par les lignes courbes) est à l'extérieur et les bases sont à l'intérieur. Chaque base d'un brin interagit via une liaison hydrogène avec une base du brin opposé. Facciotti (œuvre originale)

Dans une double hélice, certaines combinaisons d'appariement de bases sont chimiquement plus favorisées que d'autres en fonction des types et des emplacements des groupes fonctionnels sur les bases azotées de chaque nucléotide. En biologie on trouve que :

L'adénine (A) est chimiquement complémentaire de la thymidine (T) (A s'apparie avec T)

et

La guanine (G) est chimiquement complémentaire de la cytosine (C) (G s'apparie avec C).

Nous appelons souvent ce modèle "complémentarité de base" et disons que les brins antiparallèles sont complémentaire l'un à l'autre. Par exemple, si la séquence d'un brin d'ADN est 5'-AATTGGCC-3', le brin complémentaire aurait la séquence 5'-GGCCAATT-3'.

Nous choisissons parfois de représenter des structures à double hélice complémentaires dans le texte en empilant les brins complémentaires les uns sur les autres comme suit :

5' - GGCCAATTCCATACTAGGT - 3'

3' - CCGGTTAAGGTATGATCCA - 5'

Notez que chaque brin a ses extrémités 5' et 3' étiquetées et que si l'on marchait le long de chaque brin à partir de l'extrémité 5' jusqu'à l'extrémité 3', le sens de déplacement serait opposé à l'autre pour chaque brin ; les brins sont antiparallèles. Nous disons couramment des choses comme « faire passer du 5-prime au 3-premier » ou « synthétiser le 5-premier au 3-premier » pour faire référence à la direction dans laquelle nous lisons une séquence ou la direction de la synthèse. Commencez à vous habituer à cette nomenclature.

Figure 4. Panneau A. Dans une molécule d'ADN double brin, les deux brins sont antiparallèles l'un par rapport à l'autre de sorte qu'un brin va de 5' à 3' et l'autre de 3' à 5'. Ici, les brins sont représentés par des lignes bleues et vertes pointant dans l'orientation 5' à 3'. L'appariement des bases complémentaires est représenté par une ligne horizontale entre les bases complémentaires. Panneau B. Les deux brins antiparallèles sont représentés sous forme de double hélice. A noter que l'orientation des brins est toujours représentée. De plus, notez que l'hélice est droitière - la "boucle" de l'hélice, représentée en violet, s'enroule dans la direction des doigts de la main si la main droite est utilisée et la direction de l'hélice pointe vers le pouce. Panneau C. Cette représentation montre deux caractéristiques structurelles qui résultent de l'assemblage des deux brins appelés les rainures majeures et mineures. Ces rainures sont également visibles sur la figure 3.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Figure 5. Une vue agrandie au niveau moléculaire des brins antiparallèles de l'ADN. Dans une molécule d'ADN double brin, les deux brins sont antiparallèles l'un par rapport à l'autre de sorte qu'un brin va de 5' à 3' et l'autre de 3' à 5'. Le squelette phosphate est situé à l'extérieur et les bases sont au milieu. L'adénine forme des liaisons hydrogène (ou paires de bases) avec la thymine et la guanine des paires de bases avec la cytosine.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Fonctions et rôles des nucléotides et acides nucléiques à rechercher dans Bis2a

En plus de leurs rôles structurels dans l'ADN et l'ARN, les nucléotides tels que l'ATP et le GTP servent également de vecteurs d'énergie mobiles pour la cellule. Certains étudiants sont surpris lorsqu'ils apprennent à comprendre que les molécules d'ATP et de GTP dont nous discutons dans le contexte de la bioénergétique sont les mêmes que celles impliquées dans la formation des acides nucléiques. Nous couvrirons cela plus en détail lorsque nous discuterons des réactions de synthèse d'ADN et d'ARN. Les nucléotides jouent également un rôle important en tant que co-facteurs dans de nombreuses réactions catalysées par voie enzymatique.

Les acides nucléiques, l'ARN en particulier, jouent divers rôles dans le processus cellulaire en plus d'être des molécules de stockage d'informations. Certains des rôles que vous devriez surveiller au fur et à mesure que nous progressons dans le cours incluent : (a) Riboprotéine complexes - complexes ARN-protéine dans lesquels l'ARN joue à la fois un rôle catalytique et structurel. Des exemples de tels complexes comprennent les ribosomes (ARNr), les RNases, les complexes splicesosomes et la télomérase. (b) Rôles de stockage et de transfert d'informations. Ces rôles incluent des molécules telles que l'ADN, l'ARN messager (ARNm), l'ARN de transfert (ARNt). (c) Rôles réglementaires. Des exemples de ceux-ci incluent divers non-codants (ARNnc). Wikipedia propose un résumé complet des différents types de molécules d'ARN connues que nous vous recommandons de parcourir pour avoir une meilleure idée de la grande diversité fonctionnelle de ces molécules.