Biochimie

• Les molécules de glucides simples sont nommés oses ou monosaccharides (par exemple glucose, fructose et galactose).
• Les glucides composés de deux résidus sont des diholosides ou disaccharides (saccharose, lactose). Il existe des enchaînements de plus de deux oses.
• Les oligosaccharides comprennent au plus dix résidus de monosaccharides et les polysaccharides, plus de dix. Les polysaccharides sont par conséquent des polymères de plusieurs unités osidiques et jouent un rôle important dans le stockage de l'énergie (amidon, glycogène) mais aussi dans la structure des tissus végétaux (cellulose, chitine).

Par groupement chimique

Parmi les glucides on distingue les aldoses et les cétoses :

• les aldoses sont composés d'une chaîne d'alcools secondaires ayant à une extrémité un alcool primaire et un aldéhyde à l'autre extrémité. Ces derniers présentent une énantiomérie (séries L et D).
• Les cétoses possèdent une fonction cétone dans leurs chaînes, les autres carbones étant 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

• La glycéraldéhyde est l'ose le plus simple dans la classe des aldoses, c'est un aldotriose (C₃). De même pour le dihydroxyacétone dans la classe des cétoses (cétotriose). Le ribose est un aldopentose (C₅) qui entre dans la composition des acides nucléiques.

• Le glucose («gluco», du grec glukus, saveur sucrée) est un aldohexose de formule C₆H₁₂O₆. On le trouve dans les fruits mûrs, le nectar des fleurs, la sève, le sang et certains sirops.

• Le fructose (du latin fructus, fruit) nommé aussi lévulose, est un cétohexose. On le rencontre dans les fruits, le miel, dans certaines boissons sucrées et dans les sécrétions séminales.

• Le saccharose (du grec sakkharon, sucre) de formule C₁₂H₂₂O₁₁ est un disaccharide qui donne par hydrolyse du glucose et du fructose. Il se trouve dans la majorité des végétaux et surtout dans la betterave sucrière, la canne à sucre.

• Le maltose est un disaccharide qui donne par hydrolyse deux molécules de glucose.

• Le lactose est un disaccharide qui donne par hydrolyse un glucose et un β-galactose. Le lactose est retrouvé surtout dans le lait et les produits laitiers.

Formules cycliques du glucose, fructose et saccharose

Glucose

Fructose

Saccharose

Lipides

Article détaillé : Lipide.

Beurre

Définition

Les lipides, du grec «lipos» («graisse»), forment une classe assez hétérogène de molécules. Sont regroupées sous cette expression les molécules ayant un caractère hydrophobe marqué, autrement dit particulièrement peu solubles dans l'eau mais solubles dans la majorité 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 quasiment l'ensemble des corps gras. La biochimie a complété cette définition en montrant que les lipides possédaient des voies de synthèse communes. Cependant, il n'existe pas toujours de définition unique d'un lipide reconnue par la totalité de la communauté scientifique. Ceci tient certainement au fait que les lipides forment un ensemble de molécules aux structures ainsi qu'aux fonctions extrêmement variées dans le monde du vivant^[1].

D'un point de vue métabolique, les lipides forment 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, surtout les phospholipides, forment l'élément majeur des membranes cellulaires. Ils définissent une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Leur caractère hydrophobe rend impossible le passage de molécules polaires ou chargées, comme l'eau et les ions, car ils forment des groupements particulièrement compacts issus de liaisons covalentes faibles nommées interaction hydrophobe. Seules voies de passage envisageable : les protéines membranaires où, par exemple, les ions entrent et sortent de la cellule par le biais de canaux ioniques.

Plusieurs hormones sont des lipides, généralement 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 être classés selon la structure de leur squelette carboné (atomes de carbone chaînés, cycliques, présence d'insaturations, etc. ) ^[2] :

• les acides gras : il s'agit d'acides carboxyliques à longue chaîne carbonée pouvant être saturée, insaturée, ramifiée, etc. Des exemples bien connus sont les oméga-3 et -6, mais également les prostaglandines.

• les acylglycérols et phosphoacylglycérols : ces lipides sont constitués par estérification d'un glycérol et d'un à trois acides gras (ou mono-, di- et triglycérides). Dans le cas des phosphoacylglycérols, l'estérification se fait avec glycérol, un ou deux acides gras et un phosphate^[3]. Le groupe phosphate peut à son tour subir une estérification par différents composés hydroxylés comme la choline ou la sérine. On obtient alors de la phosphatidylcholine et de la phosphatidylsérine, respectivement. Il est à noter qu'acylglycérols et phosphoacylglycérols sont aussi connus sous les noms de glycérides et phosphoglycérides.

• les sphingolipides : ces lipides résultent de l'estérification puis de l'amidification de la sérine par deux acides gras. Une sous-classe bien connue de sphingolipides est celle des céramides.

• les stérols : les stérols sont des lipides possédant une chaîne carbonée plusieurs fois cyclisée. Ils ne sont par conséquent pas linéaires comme les acides gras. Des exemples bien connus de stérols sont le cholestérol, la vitamine D et les hormones stéroïdiennes (testostérone, œstrogènes, cortisone).

• les prénols : il s'agit de lipides dérivant de l'isoprène, comme par exemple les vitamines E et K ou le β-carotène.

• les polykétides : ils forment une gamme particulièrement vaste de composés naturels dont sont dérivés de nombreux antibiotiques comme les macrolides.

• les saccharolipides : ils résultent de l'estérification et/ou de l'amidification de sucres et d'acides gras. L'exemple le plus connu de saccharolipide est probablement le lipopolysaccharide.

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

Quelques exemples de lipides

acide gras insaturé	tri-acylglycérol	phosphoacylglycérol	céramide
cholestérol	β-carotène	macrolide	saccharolipide précurseur du lipopolysaccharide

Protéines (protides)

Articles détaillés : Protéines et Acides aminés.

La myoglobine, protéine respiratoire des muscles.

Les protéines (du grec prôtos, premier) sont des polymères composés d'une combinaison de quelques 20 acides aminés. La majorité des protéines sont constituées de l'union de plus de 100 acides aminés (résidus) reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Pour un nombre moindre de résidus on parle de peptides (< 50 résidus) et de polypeptides (≥ 50 résidus).

Acides aminés

Les acides aminés («amin» du grec ammôniakos, ammoniac) sont des composés organiques azotés qui possèdent une formule générale du type :

L'atome de carbone central Cα (carbone alpha) est relié à un groupement amine (NH2 -), à un groupement carboxyl acide (- COOH) ainsi qu'à un radical R variable d'un acide aminé à un autre. Les radicaux (R) peuvent avoir des propriétés différentes, certains sont hydrophiles, d'autres hydrophobes. Certains, en solution aqueuse, s'ionisent positivement (basiques) et d'autres négativement (acides) ou restent neutres. Les mammifères possèdent les enzymes nécessaires pour la synthèse de l'alanine, l'asparagine, l'aspartate, la cystéine, le glutamate, la glutamine, la glycine, la proline, la sérine, et la tyrosine. Quant à l'arginine et l'histidine, ils sont produits mais en quantité insuffisante en particulier pour les jeunes individus. Par contre, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane, et la valine ne peuvent pas être fabriqués par notre organisme. Au risque de déficit, ils doivent être apportés régulièrement par l'alimentation dans les bonnes proportions : ce sont les acides aminés essentiels.

Structure des protéines

Les acides aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique au cours de la synthèse protéique dans les ribosomes. La liaison peptidique se fait entre le groupement acide (COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (NH₂) de l'autre :

la réaction produit un di-peptide :

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

La séquence des acides aminés d'une protéine (l'arrangement et l'ordre des résidus) forme la structure primaire. A titre d'exemple, pour construire un peptide de 10 résidus avec la collection de 20 acides aminés on dispose de 20¹²possibilités (soit 1 suivi de 13 zéros !). En solution aqueuse, comme on a dit, les radicaux possèdent des propriétés chimiques différentes. Certains radicaux peuvent former des liaisons chimiques plus ou moins fortes avec d'autres radicaux de la même chaîne peptidique. Certains se repoussent et d'autres se rapprochent et forment des liens chimiques. La chaîne d'acides aminés aura par conséquent tendance à se replier sur elle-même pour adopter une structure tridimensionnelle précise. Et cette structure tridimensionnelle dépend avant tout de la séquence des acides aminés formant la chaîne. En effet, 4 grands types d'interactions interviennent dans le repliement de la chaîne peptidique :

• L'effet hydrophile / hydrophobe,
• Les forces de Van der Waals,
• Les liaisons ioniques,
• Les liaisons hydrogène,

Ces 4 premiers types d'intéractions sont reconnus comme étant faibles (forts quand nombreux cependant)

• Les ponts disulfure (liaison covalente entre les atomes de soufre qui relient deux cystéines éloignées l'une de l'autre sur la chaîne). Cela forme une interaction forte.

Ainsi certaines parties de la chaîne peptidique adoptent une structure régulière nommée structure secondaire. On en reconnaît, selon les angles de torsion des liaisons, 3 grands types :

• L'hélice α : la chaîne peptidique prend la forme d'une spirale. Les différentes spires sont stabilisées par des liaisons hydrogène l'ensemble des 4 résidus (liaisons hydogènes dites "intracaténaires").
• Le feuillet β : il se forme des liaisons hydrogène entre certains segments (brins β) de la chaîne peptidique disposés parallèlement les uns comparé aux autres (les liaisons hydrogènes sont dites "intercaténaires"). La totalité forme comme un feuillet plissé.
• Le coude ou «turn» : c'est une structure moins ordonnée qui forme le plus souvent un lien court entre des structures ordonnées (hélice-hélice, feuillet-feuillet ou feuillet-hélice). Une boucle est un lien plus long.

La forme finale de la chaîne peptidique, c'est-à-dire la structure tridimensionnelle qu'adopte la chaîne d'acides aminés, forme la structure tertiaire de la protéine (Voir la figure de la myoglobine en 3D).

Certaines protéines, plus complexes, résultent de l'assemblage des différentes chaînes (monomères) ce qui forme la structure quaternaire de la protéine. A titre d'exemple, l'hémoglobine est constituée de l'association de 4 chaînes peptidiques.

La structure de la protéine peut être dénaturée par plusieurs facteurs surtout : 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 le plus souvent par la perte de sa fonction. On parle de relation structure-fonction.

Fonctions

Les protéines assurent plusieurs fonctions au sein des cellules et de l'organisme, qui sont à l'essence même de la vie. En voici une liste non exhaustive avec quelques exemples :

• Structure et soutien : tubuline, élastine, collagène, kératine.
• Catalyse des réactions biologiques : enzymes.
• Transport et stockage : hémoglobine, ferritine.
• Signalisation et régulation : hormones peptidiques, cytokines.
• Réception et transduction des signaux : récepteurs biologiques.
• Mouvement et motricité : dispositif actine / myosine.
• Identité et défense contre les agressions biologiques : anticorps.
• Protection contre le stress environnemental : les chaperonnes.
• Détoxification : cytochrome P450, peroxydases, superoxyde dismutase.

Exemples de quelques protéines

Insuline (hormone).	Hémoglobine (protéine respiratoire).
Rhodopsine (récepteur).	G actine, monomérique.	F actine, polymère (protéine de soutien/ protéine motrice).	Collagène (protéine de soutien).

Protéome

Pour un total d'environ 20 000 à 25 000 gènes (génome) ^[5], on estime à un million le nombre de protéines différentes qui peuvent être produites dans les cellules humaines (protéome). Le nombre de protéines produites par le cerveau humain, dont le rôle est essentiel pour son fonctionnement, est estimé à à peu près 12 000.

Acides nucléiques

Article détaillé : acide nucléique.

Modèle atomique d'une molécule d'ADN bicaténaire, constituée par deux chaînes de nucléotides enroulées en hélice.

Les acides nucléiques ont été isolés originellement des noyaux des cellules eucaryotes (du latin nucleus, noyau). Ce sont des macromolécules comportant des sous-unités nommées nucléotides. On peut en distinguer deux grands types : les acides désoxyribonucléiques (ADN) et les acides ribonucléiques (ARN). L'ADN est le support universel de l'information génétique (sauf pour certains virus). Grâce à deux fonctions catalytiques cette molécule assure la transmission et l'expression de l'information qu'elle contient :

• La fonction autocatalytique : permet l'autoduplication de l'ADN et assure la transmission de l'information d'une génération à une autre.
• La fonction hétérocatalytique : gouverne la synthèse protéique. Dans la mesure où les enzymes sont des protéines et que l'ensemble des synthèses et réactions dépendent d'elles, l'ADN contrôle toute l'organisation et les processus biologiques des cellules et des organismes. Ainsi, l'ADN exprime l'information qu'il comprend.

Structure

Le nucléotide, unité de base des acides nucléiques, comporte trois composants : de l'acide phosphorique, un pentose et une base azotée :

• L'acide phosphorique (H₃PO₄) possède 3 fonctions acides. Deux de ces fonctions sont estérifiées par deux fonctions alcools portées par les carbones 3'et 5'du pentose. La troisième fonction acide est libre. (On numérote les carbones avec des chiffres accompagnés de l'indication (') pour éviter des confusions avec les numérotations des bases).

• Le pentose (sucre en C₅)  : c'est le ribose, présent sous deux formes, le 2'-désoxyribose et le 2'-oxyribose, respectivement dans l'ADN et l'ARN. La liaison pentose-base est une liaison glycosidique. Elle se forme par élimination d'une molécule d'eau entre la base et l'OH semi-acétalique localisé sur le carbone 1'de l'ose. L'association pentose-base est nommée nucléoside.

• Les bases azotées sont classées en bases pyrimidiques et en bases puriques. Les principales bases pyrimidiques sont : l'uracile (U), la cytosine (C) et la thymine (T). Les principales bases puriques sont : l'adénine (A) et la guanine (G). Les bases puriques et pyrimidiques présentent des formes chimiques interconvertibles qu'on nomme des formes tautomères.

Appariement des bases dans l'ADN double brin

Dans l'ADN bicaténaire les bases azotées des deux brins s'apparient suivant la règle de complémentarité  : A apparié avec T, C apparié avec G. Cet appariement est tenu grâce à des liaisons hydrogène et peut par conséquent être affecté par la chaleur (dénaturation thermique). Par convention, la séquence d'un acide nucléique est orientée dans le sens de l'extrémité 5' (comportant un groupement phosphate) vers l'extrémité 3'qui possède un OH libre. Ainsi, dans l'ADN bicaténaire (double brin), les deux brins sont disposés dans deux directions opposées. Les extrémités 5'et 3'de l'un des brins correspondent aux extrémités 3'et 5'du brin parallèle opposé (anti-parallèles). Dans l'espace les deux chaînes présentent une configuration hélicoïdale. Elles s'enroulent autour d'un axe imaginaire pour former une double hélice à rotation droite (dans les formes A et B de l'ADN) ou plus exceptionnellement à rotation gauche (dans la forme Z de l'ADN).

Information génétique

Classiquement, on considère que le gène est une région d'un brin d'ADN dont la séquence code l'information indispensable à la synthèse d'une protéine. Trois types d'ADN différents forment le génome (la totalité des gènes d'un individu ou d'une espèce)  :

• L'ADN «domestique» : représentant à peu près 75 % du génome, est constitué de gènes présents en un seul exemplaire ou en un nombre limité de copies. Cependant, par extension, ce type d'ADN englobe aussi certains gènes spécifiques dits à multicopies, comme ceux des ARN ribosomaux ou bien ceux codant les histones. Ces derniers existent sous forme de larges amas de copies (50-10 000 copies) situés sur un ou plusieurs chromosomes.
• L'ADN «répétitif et dispersé» (minisatellites et microsatellites)  : forme 15 % du génome et est caractérisé par de courtes séquences nucléotidiques (supérieures à 100 pour les minis), répétées en tandem un très grand nombre de fois (10⁵ - 10⁶ fois), en de nombreuses régions du génome.
• L'ADN «satellite» : (environ 10 % du génome) est constitué de séquences hautement répétitives, principalement situées dans les régions des centromères et des télomères.

Le génome humain comprend à peu près 3 milliards de paires de nucléotides représentant près de 30 000 gènes (en fait, dans les estimations récentes, c'est entre 20 000 et 25 000 gènes). Cependant, il ne semble pas y avoir de relation systématique entre le nombre de paires de nucléotides par génome et le degré de complexité d'un organisme. Ainsi, certaines plantes et organismes amphibiens possèdent un génome comptant plus de 100 milliards de paires de nucléotides, soit 30 fois plus qu'un génome humain. En effet, le génome des cellules eucaryotes semble contenir un large excès d'ADN. Chez les mammifères, moins de 10 % du génome serait utile à l'expression en protéines ou à la régulation de cette expression.

       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 

La taille des gènes peut fluctuer de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de nucléotides. Cependant même les plus longs gènes n'utilisent qu'une faible portion de leur séquence pour coder l'information indispensable à l'expression en protéines. Ces régions codantes sont nommées exons et les séquences non codantes introns. En général, plus l'organisme est complexe, plus la quantité et la taille des introns est importante. Ainsi la présence d'introns sur l'ADN d'organismes procaryotes est extrêmement rare. Certaines régions de l'ADN sont impliquées dans la régulation de l'expression des gènes. Ces séquences de régulation sont le plus souvent situées en amont (du côté 5') ou en aval (côté 3') d'un gène et plus rarement à l'intérieur d'introns ou d'exons.

Vitamines

Article détaillé : vitamine.

Cristaux de vitamine C.

Les vitamines (du latin vita, vie) sont des composés organiques essentiels à la vie, agissant à de particulièrement faibles quantités, pour le développement, l'entretien et le fonctionnement de l'organisme. Nos cellules sont incapables de les synthétiser et elles doivent être apportées par l'alimentation sous peine d'avitaminose ou de survitaminose. La vitamine B1 (thiamine) est la première vitamine à avoir été découverte par le japonais Suzuki Umetaro cherchant à soigner le béribéri (une maladie due au déficit en vitamine B1, caractérisée par des atteintes musculaires et neurologiques). Elle fut isolée par Kazimierz Funk (biochimiste américain d'origine polonaise) en 1912. Actuellement, on connaît 13 vitamines différentes pour l'homme. C'est un ensemble hétérogène du point de vue chimique et physiologique (mode d'action).

Les vitamines se divisent en deux grandes catégories : 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 à un récepteur pour pénétrer la cellule. Elles sont aisément éliminées par les reins et la sueur, l'alimentation doit les apporter quotidiennement. Les vitamines liposolubles peuvent aisément traverser la membrane cellulaire. Leur récepteur se trouve dans la cellule, soit dans le cytosol, soit dans le noyau. Elles sont stockées dans le tissu adipeux et le foie (d'où le risque de surdosage, en particulier pour la vitamine A et D). Certaines vitamines sont des cofacteurs nécessaires à l'activité d'enzymes (vitamines du groupe B), d'autres forment une réserve de pouvoir réducteur (vitamine C, E). Les fonctions des autres vitamines restent à élucider.

Sous-disciplines de la biochimie

• Biochimie structurale
• Biochimie métabolique
• Biochimie génétique
• Biochimie fonctionnelle
• Biochimie médicale et clinique

Biochimie, une science multidisciplinaire

Un laboratoire à l'institut de biochimie de Cologne.

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

Notes et références