Éléments de biochimie à l'usage des lycéens (version classe de seconde)

1 - Composition chimique d'une cellule

Molécules - d'après Biologie moléculaire de la cellule, Alberts et al., 1994, Tableau 3-1 % de la masse cellulaire
H2O 70
ions minéraux associés à de l'eau (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, Fe3+...) 1

petits molécules : acides, alcools... 3

macromolécules
(polymères)		 protéines (peptides) 18
 molécules organiques
(29%)		 acides nucléiques
 1,35 (0,25% d'ADN)


glucides complexes (osides) 2

lipides les lipides ne sont pas des polymères, mais peuvent former de très grosses molécules grâce à des liaisons faibles
 5

2 - L'eau, les éléments minéraux, les gaz et les petites molécules organiques

L'eau de la cellule - dans le cytoplasme - n'est pas une eau libre mais une eau liée aux autres molécules. Elle s'approche plus de l'état solide que de l'état liquide.









<< Applet du haut Commandes JSmol: Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
+ La molécule d' eau s'affiche en premier.
+ Quelques atomes : l'atome de chlore ou celui de sodium  ou encore de magnésium. JSmol montre par défaut le rayon de Van der Waals à 15% mais il faut visualiser 2 atomes pour comparer leur rayon  atomique par exemple.  Le tableau ci-dessous présente les couleurs conventionnelles et le lien ci-contre renvoie à une image des rayons atomiques représentés dans Jmol.
+ Deux gaz : - le dioxygène et le dioxyde de carbone
+ Les molécules organiques sont composées de carbone et sont produites par les êtres vivants. La chimie du carbone s'appelle la chimie organique alors que celle des autres éléments est appelée chimie minérale ou chimie inorganique. ( couleurs des atomes CPK )
Les molécules organiques sont composées habituellement - au plus - de 5 atomes : carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), phosphore (P) et soufre (S) ; c'est pour cela que l'on les surnomme les CHONPS. De nombreuses molécules organiques contiennent des groupes non organiques associés par exemple le fer (Fe) ou le manganèse (Mn).
<< Applet du bas
Commandes JSmol: Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
Il est ensuite nécessaire de savoir le nombre de liaisons de covalence que peuvent établir les éléments cités (cette vision est simpliste, mais pratique):
- l'hydrogène ne peut établir une seule liaison
- alors que l'oxygène en établit deux (par exemple dans l' eau);
- le soufre organique peut engager 2 liaisons (groupe -SH comme dans l'acide aminé cystéine),
- l'azote 3 liaisons (NH3 par exemple dans les groupes amine des acides aminés : le plus simple étant la  glycine),
- le carbone 4 liaisons (comme dans le   méthane (CH4) produit par de nombreux microorganismes) et
- le phosphore 5 liaisons (comme dans l'acide phosphorique (H3PO4) qui intervient dans d'innombrables réactions de phosphorylation sous forme du groupe phosphoryl : -PO32-: sa liaison avec un carbone est très énergétique. Sous forme ionique libre, l'anion PO43- se conjuge avec un H+ pour donner l'ion hydrogénophosphate HPO42- ou phosphate inorganique : Pi noté aussi Ⓟ). La réaction de phosphorylation de l'ADP en ATP est fortement endergonique (environ 7,3 kcal/mol) : Pi + H+ + ADP = ATP + H2O . Dans le sens inverse, l'hydrolyse de l'ATP est fortement exergonique (voir ci-dessous pour le vocabulaire).
Les groupes chimiques  - groupes fonctionnels - à connaître pour la biochimie en lycée sont très réduits.
- le groupe alcool (-OH) que l'on trouve en trois exemplaires chez le glycérol qui est un tri-alcool qui entre dans la composition d'un grand groupe de lipides : les glycérides. Le cholestérol est aussi un important alcool qui intervient dans la composition des membranes et dont dérivent les hormones stéroïdes comme la corticostérone (un minéralocorticoïde) (voir page dédiée). Les dérivés du cholestérol sont souvent classés avec les molécules lipidiques (voir ci-dessous) du fait de leur affinité avec les membranes. On trouve aussi des groupes alcools dans tous les glucides, car ce sont des polyalcools (ayant plusieurs groupes alcool): par  exemple le sucre le plus simple à 3 carbones (un triose) : le glycéraldéhyde. Il possède 2 groupes alcool, mais aussi l'un des deux autres groupes des glucides simples (oses) qui sont :
- le groupe cétone (=C=O) que l'on trouve chez les cétoses - comme la dihydroxyacétone-,
- et le groupe aldéhyde (-HC=O) chez les aldoses comme le glycéraldéhyde;
Les deux derniers groupes se trouvent tous les deux chez les acides aminés comme la glycine :
- le groupe acide carboxylique (-(OH)C=O) et
- le groupe amine (-NH2).
+ Quelques petites molécules impliquées dans les transferts d'énergie dans la cellule  :
- l'adénosine triphosphate (ATP) la forme la plus énergétique
- l'adénosine diphosphate (ADP) la forme intermédiaire
- l'adénosine monophosphate (AMP) la forme la moins énergétique ;
vous noterez que l'adénosine est un ribonucléoside (adénine + ribose), composant des ARN.

3 - Les grosses molécules organiques sont des macromolécules polymériques

Les glucides simples (= oses) sont les monomères des glucides complexes (= osides)

Les glucides sont "des CHO" (composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène). Ce sont des polyalcools (ils possèdent un groupe alcool sur chaque carbone sauf un). Les glucides simples ou oses ont entre 3 et 7 atomes de carbone. Il existe deux types d'oses selon les groupes situés sur leur premier et deuxième carbone : les cétoses ont un groupe cétone (=C=O) alors que les aldoses ont un groupe aldéhyde (-HC=O). Certains oses sont cyclisés et n'ont donc plus de C=O.






<<<< Applet du haut QUELQUES OSES sous forme linéaire
Commandes JSmol: Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
3 carbones : les trioses (C3H6O3) ne sont que 2 :
- la dihydroxyacétone pour la forme cétose avec le groupe cétone (=C=O)
- le glycéraldéhyde pour la forme aldose avec le groupe aldéhyde (-HC=O)
4 carbones : (C4H8O4) par exemple l'érythrose.
5 carbones : le ribose (C5H10O5) et le désoxyribose (C5H10O4) qui interviennent notamment dans les acides nucléiques sous une forme cyclique (voir applet du bas et  ci-dessous).
6 carbones : (C6H12O6) le glucose.
<<<< Applet du bas QUELQUES OSES sous FORME CYCLIQUE Commandes JSmol: Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
Une des formes cycliques du glucose ( αD-glucopyranose - passage d'un glucose linéaire à un glucose cyclique: image externe) avec un cycle à 6 côtés (heaxgonal) et 5 carbones.
Les deux sucres composant de l'ADN ont une forme cycliques (avec un cycle pentagonal - à 5 côtés, et 4 carbones) : le ribose cyclique est sous une forme apellée ribofuranose et le désoxyribose est sous la forme de désoxyribofuranose (il existe différentes formes selon la position des OH /plan du cycle).
Test : pourquoi le gycérol, un trialcool n'est-il pas un sucre ?















Les glucides complexes (osides) sont des polymères d'oses.
Deux exemples :
- L'amidon n'est composé que de glucoses (qui est donc le monomère qui compose la molécule polymérique d'amidon) mais les molécules s'assemblent soit en de longues chaînes d'amylose (5 glucoses  seulement sont représentés ici) soit en molécules ramifiées complexes d'amylopectines. Une molécule d'amidon peut contenir plusieurs millions de glucoses.
La cellulose, l'exemple de sucre complexe
molécule de cellulose
Commandes JSmol: Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
- La molécule de cellulose (image ci-dessus) est aussi un polymère de glucoses. Chaque molécule très complexe est une fibre composée de macrofibrilles, à leur tour composées de microfibrilles qui rassemblent des chaînes de glucose.
Affichez :
- une chaîne de quelques glucoses; notez le type de liaisons entre les glucoses (entre les carbones n°1 et 4)
- quelques courtes chaînes accolées composant une toute petite partie d'une microfibrille.







Les acides aminés (aa) sont les monomères de peptides

Protide est équivalent à peptide. Un peptide est un polymère d'au moins 2 aa (reliés par une liaison peptidique d'où son nom).
Les peptides sont donc des polymères d'acides aminés.
Une protéine est un polypeptide dont le poids moléculaire est supérieur à 10.000 daltons (un dalton (Da) est la masse d'un atome d'hydrogène). Cependant il n'est pas rare que l'on emploie le terme de protéine à la place de peptide de façon indue.

Tout acide aminé (aa) est composé d'un carbone lié par covalence à un hydrogène et à 3 groupes dont un seul est variable : le groupe R.
Le groupe amine (-NH2) est placé conventionnellement à gauche des représentations et le groupe acide carboxylique (-COOH) à droite.
Une page spéciale est consacrée aux peptides.
.acide aminé

Il existe 20 aa naturels dont seuls les groupes -R changent et leur donnent leurs propriétés : alanine, arginine, asparagine , acide aspartique, cystéine, glutamine, acide glutamique, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, proline, sérine, thréonine, tryptophane, tyrosine, valine.

Quelques commandes pour JSmol:
Modèles de la molécule
compact
squelette
boules et bâtons
cartoons
Couleurs des atomes :
cpk - a.a. colorés
modèle cartoon : a.a. colorés,
chaînes colorées (couleurs de références page JSmol)
L'hémoglobine humaine oxygénée est le type même de protéine complexe avec 4 niveaux de structure (voir page spéciale). Elle est composée de 4 chaînes identiques 2 à 2 (2α, 2ß) portant chacune un groupe hème avec un atome de fer. Dans Jsmol ne sont affichées ici qu'une seule chaîne α et une chaîne ß.

Les nucléotides sont les monomères des acides nucléiques


Les acides nucléiques sont traités sur une page spéciale.
L'acide désoxyribonucléique (ADN) est un polymère de nucléotides. C'est le seul acide nucléique au programme de la classe de seconde.
Chaque nucléotide est composé d'une base azotée, d'un sucre et d'un groupe phosphate.
Dans l'ADN, il existe 4 bases azotées possibles
A : adénine,
T : thymine,
C : cytosine,
G : guanine);
le sucre est un désoxyribose (forme cyclique : désoxyribofuranose) auquel est lié le groupe phosphate (en solution dans l'eau c'est de l'acide phosphorique (H3PO4))

Il existe donc 4 types de monomères (nucléotides) dans l'ADN :
- nucléotide à adénine
- nucléotide à thymine
- nucléotide à cytosine
- nucléotide à guanine.
Voici l'association par des liaisons faibles (de type hydrogène) des paires de nucléotides :
nucléotide à A-------nucléotide à T
et nucléotide à C=== nucléotide à G

L'ADN est une double hélice de 2 nm de diamètre environ. Chaque brin est un polymère de très nombreux désoxyribonucléotides (parmi 4) reliés par des liaisons de covalence entre le groupe phosphate d'un nucléotide et le désoxyribose (carbone n°3) du nucléotide suivant. Les brins sont liés par des liaisons hydrogènes qui s'établissent entre les bases de type opposé: A-T (2 liaisons) et C-G (3 liaisons).
Un peu plus d'un tour de la molécule d'ADN.
* Enroulement de la molécule d'ADN humain (sans les protéines).
quelques commandes de JSmol
 Modèle compact, modèle en squelette, boules et bâtons,
Couleurs des atomes : cpk, uni

(les boules rouges sont les oxygènes des molécules d'eau)



4 - Les lipides sont les constituants principaux des membranes cellulaires et forment les réserves de graisse

Les lipides forment un groupe hétérogène qui comprend les acides gras et des graisses complexes formés d'un alcool et d'acide(s) gras liés par des liaisons de covalence. Les acides gras sont de longues chaînes de carbone et d'hydrogène -CH2- ou -CH=HC- (ce ne sont PAS des polymères). Les acides gras insaturés possèdent une ou plusieurs doubles liaisons, alors que les acides gras saturés n'ont que des liaisons simples. Une double liaison occasionne un coude dans la molécule.


Quelques acides gras :
L'acide palmitique de formule (C16H32O2) est saturé ; c'est un composant majeur de l'huile de palme. L'acide oléique de formule  (C18H34O2) est insaturé et compose principalement l'huile d'olive. L'acide α-linolénique est un acide gras insaturé essentiel (que l'on doit trouver dans l'alimentation, car on ne sait pas le fabriquer) du groupe des oméga 6.

Les graisses les plus communes sont formées à partir du glycérol (un alcool à 3 C et 3 groupes alcool) et un, deux ou trois acides gras formant ainsi les monoglycérides, diglycérides et triglycérides qui sont les constituants majeurs des réserves cellulaires (graisses) animales. Dans l'extrême variété des molécules lipidiques, on trouve des cires produites par certaines cellules végétales.

membrane plasmique snv jussieu
Les membranes sont des doubles couches de phospholipides (avec un alcool : le cholestérol) et dans lesquelles sont enchâssées des protéines. La phosphatidylcholine  et la sphingomyéline sont deux exemple de phospholipides. Les lipides membranaires sont d'une extrême variété. On notera qu'ils sont amphiphiles : ils ont un pôle hydrophile (côté phosphate) et un pôle hydrophobe (côté acide gras).
Un modèle d'une double "membrane" théorique sans protéines ni cholestérol ( fichier volumineux, patience)
Quelques commandes pour JSmol:
Modèles de la molécule : compact, squelette, boules et bâtons
Couleurs des atomes : cpk (couleurs de références page JSmol)

Réactions chimiques (avec transfert de groupements) - Utilisé dans le chapitre sur la nutrition des cellules musculaires

Les réactions chimiques sont des équilibres entre deux états d'un ou plusieurs réactifs et un ou plusieurs produits. L'usage moderne (scolaire ?) demande que l'on sépare ces deux états par un signe égal (=) qui auparavant correspondait à deux demi-flèches (⇌).
RéactifA  =  ProduitB
 La plupart du temps les équilibres décrits représentent des bilans de nombreuses réactions intermédiaires qui sont omises ou inconnues.
Une réaction chimique peut se faire spontanément si l'état du produit est plus stable que celui du réactif : on dit que la réaction est exothermique ou exergonique, ce qui signifie que la formation des produits fournit de l'énergie (exo = extérieur, thermo = chaleur, ergon = travail). C'est pour cela que l'on dit que toute réaction chimique s'accompagne de dégagement de chaleur (c'est ce que l'on nomme "l'effet Joule"). Plus une réaction est exothermique plus l'équilibre est déplacé vers la droite, à la limite, elle est irréversible.
Si, au contraire, la réaction ne se fait pas spontanément mais nécessite de l'énergie, on dit qu'elle est endothermique ou endergonique (endo = intérieur).
Dans la cellule, les réactions chimiques sont COUPLÉES : une réaction exothermique fournit l'énergie nécessaire à une réaction endothermique. On note ces couplages à l'aide de flèches courbes accolées et comme il y a toujours production de chaleur on peut aussi la noter :
RéactifA ProduitC + chaleur
RéactifB ProduitD
Remarque: on notera la profonde similitude entre ces réactiosn chimiques de transfert de groupement (et donc d'énergie de liaison) avec les réactions d'oxydo-réduction, transferts d'électrons (et de protons). Toute oxydation est couplée à une réduction, tout comme ici, toute réaction endothermique doit être couplée à une réaction exothermique.
Par exemple, de très nombreuses réactions endothermiques de la cellule sont réalisées grâce à l'énergie fournie par la dernière liaison phosphate de l'ATP. En effet l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi (phosphate inorganique, voi ci-dessus) fournit une énergie importante de 50 à 65 kJ.mol-1 dans les conditions cellulaires (alors que l'énergie libre standard de la réaction ou ΔG°' est d'environ 30 kJ.mol-1).
ATP + 2 H2O  =  ADP + Pi + H3O+
La première réaction de la respiration cellulaire (qui sera abordée en terminale, voir ancien cours ici) qui a lieu dans le cytoplasme est la transformation du glucose en glucose-6P (phosphorylation au niveau du carbone n°6). Elle nécessite une énergie de l'ordre de 8 kJ.mol-1 qui est donc fournie par une molécule d'ATP, mais comme il existe un très fort excédent d'énergie apporté par l'ATP, elle s'accompagne de rejet de chaleur et est considérée comme irréversible. On notera que le groupe phosphate n'est pas libéré sous forme de Pi, mais est lié au glucose qui est ainsi "phosphorylé".
glucose glucose-6P + chaleur
ATP + 2 H2O ADP + H3O+


La réaction de phsophorylation du glucose est catalysée par plusieurs enzymes de type kinase dont la glucose-6-phosphatase.
En effet, dans une cellule les réactions chimiques sont catalysées (accélérées, dirigées)  par des enzymes - ou biocatalyseurs - ou plutôt par des complexes enzymatiques, association de nombreuses enzymes réalisant plusieurs réactions chimiques en chaîne (on parle de canalisation ou chanelling en anglais, désignant par là que les produits d'une réaction n'ont pas le temps d'être libérés, mais sont immédiatement repris par une autre enzyme qui les transforme et ainsi de suite. On accélère ainsi de façon extraordinaire la vitesse des réactions chimiques par rapport à une vision théorique d'une rencontre au hasard de molécules dans une solution - ce qui ne correspond en rien au cytosol très organisé (voir l'eau dans la cellule) -. Malheureusement, la catalyse enzymatique n'est plus au programme des lycées (voir ancien cours de premièreS).


Résumé à mémoriser en seconde  :

L'étude de la chimie du vivant est la biochimie (la biologie va donc s'appuyer sur des connaissances de chimie: classification périodique, atomes, molécules, liaisons...).
Composition d'un être vivant :
- de l'eau (environ 70%)
- des éléments minéraux (1%)
- et des substances organiques. Elles contiennent du carbone (C : atome de carbone) et sont fabriquées par les organismes; à part le gaz CO2 et quelques autres rares molécules carbonées (avec du carbone) ce sont des CHONPS (composés de ces 6 éléments C : carbone, H : hydrogène, O : oxygène, N : azote; P : phosphore; S : soufre).... glucides, lipides, protides et acides nucléiques...).

Une classification des substances organiques :
1 - de petites molécules (métabolites) : des alcools, des acides, des sucres simples [exemple : le glucose C6H12O6 - tous les sucres simples ou oses ont entre 3 et 7C avec une groupe alcool (-OH) sur chaque atome de carbone sauf sur un des deux premiers C qui porte un =O], de l’acide phosphorique (H3PO4).

2 - des polymères (grosses molécules = macromolécules composées de sous-unités identiques appelées monomères, homopolymères s'il n'y a qu'un seul type de monomères et copolymères s'il existe plusieurs types de monomères) que l’on classe en trois groupes :
+ les protéines (les plus abondantes : 18% de la masse de la cellule et plus de 50% de la masse des molécules organiques); ce sont des polymères d'acides aminés (noté aa ; chaque acide aminé possède un groupement amine : -NH2 et un groupement acide -COOH); le terme général pour les polymères d'aa est peptide ; le terme protéine devrait être réservé aux peptides qui pèsent plus de 10.000 daltons (un dalton est la masse d'un atome d'H).
+ les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides (= base azotée + sucre + groupe phosphate); l'ADN (acide désoxyribonucléique) ne constitue que  0,25 % de la masse cellulaire (et 5% de la masse des molécules organiques) c'est une longue molécule de 2 nm de diamètre enroulée en hélice (de pas = 3,2 nm) et formée de deux brins associés par des liaisons faibles au niveau des bases azotées de chaque nucléotide (A : adénine, s'associant à T : thymine par 2 liaisons hydrogène; C : cytosine, s'associant à G : guanine par 3 liaisons hydrogène); chaque brin est composé de nucléotides reliés entre eux par des liaisons de covalence : entre le sucre (désoxyribose) d'un nucléotide et le groupement phosphate du nucléotide précédent). Comme les deux brins ne sont réunis que par des liaisons faibles, ils peuvent être séparés par chauffage modéré (dénaturation) puis se réassocier (renaturation) lorsqu'on abaisse la température.
+ les glucides complexes ou osides (polymères d'oses) représentent 2% de la masse de la cellule, ce sont surtout des molécules de réserve énergétique (comme l'amidon) ou des éléments de structures externes comme la paroi des cellules végétale (composée de cellulose).

3 - les lipides (5% de celle des cellules) sont soit des acides gras (formés d'un groupe -COOH et longue chaîne de -CH2- ou -CH-) soit des graisses qui associent plusieurs acides gras.  Ils sont insolubles dans l'eau et possèdent un pôle hydrophobe (qui repousse l'eau). Les phospholipides (alcool + acide gras + groupement phosphate) composent notamment toutes les membranes de la cellule, dont la membrane plasmique qui borde la cellule.