ARTheque - STEF - ENS Cachan | Polymères – Informations scientifiques – II

INFORMATIONS

SCIENTIFIQUES

SUR

LES

POLYMERES -

(suite)

Les

macromolécules

biologiques

1976-CHAPITRE 1

COMPOSITION ET ORGANISATION DES MACROMOLECULES BIOLOGIQUES

Une des principales propriétés de la matière vivante réside dans son aptitude à synthétiser des macromolécules organiques, de structure et de fonction bien définies.

On appelle macromolécule unenchaînemertt de motifs moléculaires relativement simples (monomères) appartenant à un petit nombre d'espèces chimiques (quelques dizaines) et associés en . édifices de masses molaires très élevées.

05.76

On parle d'édifices parce que les macromolécules bio-logiques ont une architecture définie, stabilisée et spécifique, mais non obligatoirement rigide, reproduite avec une précision exceptionnelle de génération en génération. On peut se faire une idée de. la morphologie de ces édifices et de leur masse moléculaire en étudiant la façon dont ils "sédimentent" (se déposent) lorsque, les ayant mis en suspension dans un milieu de densité connue, on les soumet aux accélérations des ultracentrifugeuses qui peuvent atteindre 100.000 g (g

=

accélération de la pesanteur).

Selon la nature des monomères, on distingue

- Des homopolymères dans lesquels tous les monomères sont identiques, comme dans l'amidon;

- Des hétéropolymères (ou copolYmères) dans lesquels on trouve un nombre de monomères différents allant de quatre (pour les acides nuc1é~ues) à vingt (dans les protéines). Dans ce cas, l'archi-tecture de ce macromolécules comporte plusieurs niveaux de complexité, chacun d'eux étant spécifique et biologiquement significatif.

Remarque

On peut not~r que .~es polymérisations biologiques se font toujours par .pQ.~yconden.. ,at:;i.:.on, puiSflU'elles se font tuuJo\J.rs à basse température.

1 - LES GLUCIDES

A) Les oses (ou monosaccharides)

Ce sont les monomères des osides (ou polyosides ou poly-saccharides). Ils dérivent de polyalcools par déshydrogénation d'un groupe alcool ils portent donc une fonction carbonylée, soit une cétone, soit un aldéhyde; on parlera donc de cétoses ou d'aldoses.

1) Les premiers oses dérivent du glycérol qui possède trois atomes de carbone et trois fonctions alcool ; ce sont. un cétose, la dihydroxyacétone et un aldose, l'aldéhyde gl yci r i que .

cétose dihydroxyacétone H

1

H -C - OH

1

C sa

°

1 H-C -OH 1 H - 2H { c

t

H H

°

1

-OH}~

\~ H - C C

1

1

H - C - OH H - C - OH 1

1

H - C - OH H - C - OH

1

1 H H glycérol aldéhyde glycérique

L'aldéhyde glycérique présente un carbone asymétrique CZ (porteur de 4 substituants différents) et possède donc deux formes qui sont, l'une par rapport à l'autre, comme un objet vis-à-vis de son image dans un miroir ; on appelle ces deux formes énantiomères ou inverses optiques. CHO H

°

O~ H CHO

H,~OH

\.C~

~

C/

HO~

H H

1:1

1:1

ou C / C ou - C - OH HO - C - H

1

J J

,

CH 20H CH

20H

HOH2C CH20H

Aldéhyde D-glycérique (+) _{Aldéhyde L - glycérique} (-)

Ces deux composés ont la prop riété de faire tourner le

plan de polarisation

de

la

lumière.~n

sens contraires et d'un angle

égal.

3

-Pour l'aldéhyde glycérique, on désigne par D la forme (en représentation linéaire) dans laquelle le - OH porté par le carbone central est à droite de la chaîne carbonée. L'aldéhyde D-glycérique est dextrogyre, ce qu'on indique par

(+).

De même, on désingntpar L la forme dans laquelle le - OH est à gauche de la chaîne carbonée. L'aldéhyde L - glycérique est lévogyre, ce qu'on indique par (-).

2) Pour les aldoses d'ordre supérieur (4,5,6 ••. atomes de carbone), la molécule comporte un ou plusieurs groupements alcool secondaire en plus. Chacun de ces nouveaux groupes CHOH possède un carbone asymétrXpe le nombre d'isomères augmente d'un facteur 2 par rapport au nombre d'isomères de l'homologue immédiatement inférieur.

L'appartenance à la série D ou L sera déterminée par la position à droite à gauche de la chaîne carbonée, du -OH porté par le carbone voisin du groupement alcool primaire ; exemples :

H" _~0 H" _~ 0 C C

c

1

1

H - C - OH H - C - OH 1 1 H - C - OH HO - C - H 1 1 H - C

~

OH) H - C - OH J . 1 H - C @ c.~0+\

₁

C.Hz°H

D - ribose D - glucose

Les cétoses correspondants existent

CH,.0,", 1 C

=

0

1

HO - C - H

1

H - C - OH

1

H - C - OH

1

C

H2,

0\0\

exemple le fructose encore lévulose.

Pour ces oses, donc, l'appartenance à l'une ou à l'autre série ne préjuge pas du sens dans lequel ils dévient le plan de

polarisation de la lumière.

Il est frapant de constater que les sucres biologiquement importants sont de forme D.

En fait, on constate, par exemple spectroscopiquement, que, dans une solution d'aldose ou de cétose, il y a une très faible proportion de fonction aldéhyde ou cétone libre. La plus grande partie est masquée. On sait que les alcools réagissent de façon réversible avec les aldéhydes pour donner des hémiacétals.

°

_"

_C

"

\

+ R - OH

Lorsque les fonctions aldéhyde et alcool appartiennent

à la même molécule et sont placées de telle manière que la réaction conduise à la formation d'un cycle à six chain~ns (ou éventuellement

à cinq) sans tension, l'obtention de l'hémiacétal cy;clique est très favorisé. La fermeture du cycle transforme le carbone aldéhydique en un nouveau carbone asymétrkpe, le carbone hémiacétalique. Il y a donc dans une solution de glucose, par exemple, deux hémiacétals en équi-libre avec la forme aldéhydique ouverte. On peut les représenter ainsi

36 %de 0( forme (anomère) Cl(

-«

-D-glucopyrannose

.r-I

---,. 1 1 1 1 1 1 1

o

ouverte 0,02 % de forme ouverte forme aldéhyde Al' équilibre forme (anomère) ~ ~ -D-glucopyrannose ou

5

-Notes :

- Le pyranne est un hétérocycle monooxygéné à six chainons ; - Pour ne pas surcharger les formules, on indique la position des groupements - OH par un trait et on ne marque pas les hydrogènes qui doivent compléter pour que chaque carbone ait quatre substituants.

Pour les pentoses (sucres à 5 atomes de carbone), la forme cyclisée la plus stable est un cycle à 5 chainons, ou cycle .

furannose. Ainsi pour le J),.ribose :

CHO

1

H - C - OH

1

H - C - OH

1

H - C

,

OH

CH~O~ «-D-ribofurannose ~~D-ribofurannose

Dans les acides nucléiques, le ribose (ou le désoxyribose) est sous forme furannose. Des hexoses, comme le fructose, qui est un cétose, peuvent aussi se cycliser sous forme de furannose

forme cétonique O(-D-fructofurannose

Il faut signaler que les formes 0( et

~

d'un même ose

différent l'une de l'autre par leurs propriétés physiques et en

par-ticulier par leur pouvoir rotatoire, mais elles ne sont pas énantiomorphes.

L'~-D-gluco8ea un pouvoir rotatoire de + l

l i

ll

alors que le ~-D-glucose a +19·

Les Qsè~ sont très solubles dans l'eau et les solvants organiques. Ils ont un goût très peu solubles dans

caractéristique.

un pouvoir rotatoire de 3) Propriétés des oses

a) !r~pri!t!s_r!d~c!ric~s

Les aldoses en solution sont réducteurs en raison de l'équilibre qui existe entre les formes cyclisées et la forme ouverte qui porte une fonction aldéhyde. Au fur et à mesure que cette fonction aldéhyde entre en réaetion avec un oxydant, l'équilibre se déplace de façon à reformer de l'aldéhyde jusqu'à consommation totale de l'aldose. C'est donc une propriété due à la forme ouverte. Par exemple, les oses réduisent la liqueur de Fehling: il s'agit d'une réduction d'ions cuivriques en oxyde cuivreux Cu

20 rouge qui précipite. Ces propriétés ne sont pas spécifiques.

A cause de l'abondance et de la réactivité des groupements hydroxyles, les oses subissent deux principaux types de réactions, cata-lysées par les enzymes.

b) FOEJ1.!tio~ ~'!.s!e.!.s_e!.E.I~s_p.!r!i~u.!:.i.!r~m~n!~'!.s!e.E.s~p!!.o!.p!!.0.E.iSu!.s_ Ces esters sont très importants car les cellules n'utilisent pratiquement les sucres que sous cette forme. Pour le glucose (et les hexoses en général), les deux esters phosphoriques les plus importants sont :

~-D-glucose - 1 phosphate

CX-D-glucose - 6 phosphate

Le signe ' V indique qu'il s'agit d'une liaison "riche" en énergie; il faut savoir ce que signifie cette expression: tout d'abord, ce n'est

pa~iaison qu~

contient de l'énergie, mais sa rupture qui en libère ; ensuite, ce sont les liaisons covalentes les plus labiles dont

la

rupture libère le plus d'énergie libre

(K

sont le plus exergoniques).

Ces divers esters ont chacun un rôle biochimique bien précis sur lequel nous revienà.o~.

7

-Cette phosphorylation est indispensable pour "activer" ces oses et leur permettre d'entrer dans une chaine

- De réactions de dégradation (catabolisme), source d'énergie des cellules

- De réactions de synthèse (anabolisme) dans lesquelles la cellule consomme, au contraire, de l'énergie.

c) !é.!c.!i~i.!é_d.! l'.h.Y~rE.Xl.l.! È.éE!i.!c!.t.!li.~e (por t é par le carbone Cl)

Cet hydroxyle peut donner des réactions de condensation avec élimination d'eau pour donner des liaisons' glycosidiques, soit avec des amines, soit avec des alcools qu~ peuv~nt être d'autres oses.

- Liaisons N-glycosidiques action du désoxy2ribose sur

la thymine.

_o

liaison N-glycosidique - \ollO

01-\

- Liaisons O-glycosidiques : elles participent à la réa-lisation des polymères. Exemple: le maltose, constitué de 2~-D-glucose.

CH~OM

B) Les osides

Ils résultent de la condensation de molécules d'oses, avec élimination de molécules d'eau au niveau de liaisons O-glycosidiques : on dit que ce sont des glycosides, et selon l'isomère m1S en jeu, on distinguera des ~ ou des ~-glycosides. Selon la nature des ~, on distinguera aussi des glucosides, des galactosides etc ...

Si on s'attache maintenant au nombre de monomères participant à la formation de l'oside, on parlera de :

Oligosides (ou oligo-saccharides) jusqu'à 8 monomères - Polyosides (polysaccharides).

Enfin, si l'on veut préciser que l'hydrolyse de l'oside

~e donne que des oses, ou au contraire un mélange d'oses et de molécules différentes des glucides, on classera les osides en :

ou

- Holosides - Hétérosides

plusieurs oses

oses + autre molécule

Chez les êtres vivants, les glucides de loin les plus fréquents sont des polymères du D-Glucose ou de ses dérivés.

Nous n'en considérons que les plus connus.

1) Oligosaccharides (nous ne nous intéresserons qu'aux diholosides)

a) Li.!i~o.!!. .Q-~l1.c~siA~:.~e_d~~Y.E.e_l~4_:_t2'.p~~al-t~s~ (voir plus haut) La liaison glycosidique s'établit entre le carbone hémiacétalique d'un des cycles glucopyrannos e et le _{carbone C4 d}e

l'autre. Les diholosides de ce type conservent ai ns i sur un des cycles une fonction hémiacétal : ils conservent donc des propriét és des oses

comme la réduction de la liqueur de Fehling.

9

-lactose (anorr.ère~)

ou

~

-D- galactopyrannosyl-O-4D-glucose

b) Liaison O-glycosidique de type 1-6 type isomaltose

Ces liaisons participent aux ramifications de certaines chaînes de polymères. Les osides de ce type sont aussi réducteurs.

ou

isomaltose

c) ~i.!i.!o~ Q-.&lyc~si.di.~e_d~ .!,y,E.e_1:.1_: type saccharose

C'est un sucre non-réducteur, car les deux hydroxyles

o

HOCHa,

ou. t\OCHI. C~1.0'" saccharose :t(-D-glucopyrannOSYl-~-~fructofurannoside hémiacétaliques sont bloqués :

Le nombre des monomères associés dans un polyholoside est de l'ordre de 15 à 50 pour les faibles poids moléculaires et peut atteindre plusieurs milliers pour les poids moléculaires élevés.

Ici, nous n'envisagerons que bois polymères le glycogène et la cellulose.

l'amidon,

a) AMidon - C'est une substance de réserve chez les végétaux; il est accumulé sous forme de granules dans les tubercules et les graines. C'est un mélange de deux polymères qui différent par le mode d'enchainement des monomères.

n'est pas plane, mais s'inscrit dans l'espace; le polymère résultant de cette

glucose. mais en fait, l'unité de base est polycondensation possède, en conséquence, une structure hélicoidale lâche de 250 à 300 (20 à 30 %de l'amidon) : encha i nemen t O-glycosidique 1-4 de maltose. La formule de ce diholoside

p-

0

o

~j

~od~

o

9

La couleur bleue obtenue en ajoutant dele maltose. 0,

l'empois d'amidon à une solution d'iode dans l'iodure de potassium est dûe à l'ad-sorption des ions 1

3 sur l'amylose. - ~Zl~~c~i~e (70 %de l'amidon)

Dans ce polymère, à côté de liaisons O-glycosidiques 1-4. les hydrolyses révèlent l'existence de liaisons 1-6, ce qui signifie que la molécule est ramifiée (cf l'isomaltose). Ces liaisons de typel-6 s'observent sur tous les 25 résidus glucose environ. Au total, on estime à 1.000 environ le

dans l'amylopectine.

- II

-b) G~xcogène .. On le nonune encore "amidon animal", car c'est la formé de rê s ét ve 8lucidique dans le foi e, le muscle et beaucoup d'autres cellules. Sa constitut i on chimique ressemble beaucoup

1 ce l l e de l'amylopectine, mais en diffère par un aspect buissonnant beaucoup plus dense : on trouve en effet une li a i s on 1-6 (donc une

ramifica ti on) tous les 10 résidus glucose envir on.

Le poids moléculaire du glycogène est très élevé :

de l'ordre de 106 à 107 pour le glycogène du muscle et de

6

5.10 pour celui du foie, ce qui correspond à plus de 30.000

rêaidus glucose.

A la différence de l'amidon enfin, il se présente dans les cellules sous forme de solutions colloidales plus ou moi ns

faciles à ~ettre en évidence .

c) CelJulose. Très répandue dans le règne végéta l, elle participe

à la formation de "boites" aux parois rigides qui emprisonnent les cellules végétales. Ce s parois sont.cons t ituées de couches

différemment orientées de fais ceaux de fibres, elles-mêmes formées par l'a8sociation de différente s espèces mac r omol é cul aires . Nous fie considérerons que la ce l l ul os e.

C'est un homopolYffièr e non ramifi é formé par l

'enchai-nement o-glycosidique 1-4 de 1.500 à 5.000 monomèr es de cel l ob i os e

(2 unités de ~-D-glucose) . La mol écu l e de cel l obi os e est te lle qu'il

n'y

â pas spira lisat ion du polymère.

Dans le cot on, ce s mol é cul es peuve nt at t e i ndr e 1,5 à 5 microns. L'assemblage , par de s lia i s ons non- covalentes, de ces

macromolêcules donne des compl exes fibril l aire s plus ou moins rigides. Il est important de remarquer que la simple différence stérique entre l'oe-D-glucose et le ~-D-g1ucose entraine des diffé-ténceê importantes des propriétés mécaniques et des propriétés

chimi-ques

(résistance

à

l'hy

drolyse e

nzymati que

•••

) des polymères qu'ils

constituent.

II

-Ces macromolécules ont pour caractéristique essentielle de

porter, dans leur architecture moléculaire elle-même, toute l'information

nécessaire l la réalisation de la

synth~se

des protéines,

troisi~me

catégorie de macromolécules, que nous envisagerons plus

loin.

11 existe deux catégories de ces acides nucléiques

- Les

A.. D. N. (àcide désoxyribonucléique)

- Les A. R

.

N. (acide

ribonucléique).

Ces deux types d'acides sont voisins chimiquement, mais

leurs rôles sont cependan

t

tout

à

fait

di

s t i nct s , comme d'ailleurs,

leur localisation dans la cellule

.

A) Les monomères constitutifs

Les différents types d'hyd

rolyse

permettent de séparer un

petit nombre de monomères appelés nucléotides. Leur analyse montre qu'ils

résultent de tràis unités de base

}

- Une base organique

- Un sucre

-

et l'acide phosp

hor i que .

1) Les unités de base

nucléoside

a - Les sucres

b - Les bases

soit le D-ribose

(dans les A R N)

soit de D-désoxyr

ibose

(dans les ADN)

bases puriques

bases pyrimidiques

(cf premier fas

cicule )

- Dans les A R N, on trouve quatre bases :

- Deux bases puriques (guanine et adénine) ;

- Deux bases pyrimidiques (cytosine et uracile).

- Dans les A D N, on retro

uve

aussi quatre bases

- Les deux bases puriques sont les mêmes

- Mais la thymine remplace l'uracile.

- 13

-2) Les nucléosides

Le premier type de condensation résulte de la formation d'une liaison glycosidique entre une base et le sucre pour donner un nucléoside (voir, dans les glucides, le paragraphe I-~-~ - c ). On nomme ces nucléosides, à partir du nom de la base et en ajoutant

le suffixe oside et le préfixe désoxy si le sucre est le désoxyribose.

Exemple condensation de l'adénine et du sucre

adénine + ribo5e = adénosine

adénine + désoxyribose

=

désoxyadénoside.

La condensation se fait toujours entre le carbone l' du

sucre (on numérotera les carbones des sucres avec un pour les distinguer de ceux des bases) et l'azote NI ou N

9 des purines (voir dans les glucides, le paragraphe I-A-~,sur la liaison N-g1ycosidique}

3) Les nucléotides

Les nucléosides peuvent réagir avec l'acide phosphorique, soit par l'alcool secondaire en 3', soit par l'alcool primaire en 5'. Il se forme une liaison ester par élimination d'une molécule d'eau.

On désigne cette fois les nucléotides, par le nom du

nucléoside suivi de la position de condensation et du suffixe phosphate.

Exemple d~soxyadénosine 3' phosphate

désoxyad~nosine5' phosphate

Ce sont ces unités (ces monomères) que l1 0n trouve par hydrolyse des acides nucléiques.

L'enchainement des monomères s'effectue par une estérification qui qui se produit entre la fonction alcool située en 3' (si on part d'un

nucléoside 5' phosphate) ou la fonction alcool située en 5'(si on

part d'un nucléoside 3' phosphate) de l'ose (ribose ou désoxyribose)

d'un nucléotide donné et la 2e fonction acide de l'acide phosphorique d'un autre nucléotide ( pont phosphodiester).

6'

1

DESOXY-ADENOSINE 5' MONOPHOSPHATE = d AMP OH 1 HO-P==O 1

°

NH;l' 1 N 1 5'C_H2/ 0" HC~ "C -C~ 1/ " H \ 1/ " C H H C/- -N-C N 1'1 1/" 'N"""c'-H

"bn

)

5' MONOPHOSPHATE s

~

- d GMP OH

~

HO-~=

O

\

°

_{1 ?N, _C~}

,p

S'CH2/0 " HC C , '/. . ," H \

9

N-H C H HC~N-C 1

,'1

1/1' 'N~' H

Y-

J

'-1

NH2 OH H 5' 5'

!

~

5

'l!:===-"

OH 1 HO-P==O 1 H NH2

°

, '11-c \/ 5CHI/O" H-C -H l/., ." H \ 1 C H H c-'- N-C 1'1 1/ . ~ H C₁---C_{J' 1} 1

°

OH H DESOXY-CYTIDlNE 5' MONOPHOSPHATE = d CMP

- 15 -REPRËSENTATION CONVENTlmmELLE SQUELETTE POLYDESOXYRIBOSE

f

PHOSPHATE SCHËMA D'UN TETRANUClËOTIDE OH 1 HO- 'P=O 1 CHJ 0

?

\

# S' CH2

°

J

- C

,

1;:'

'"

HHC N- H C H HC'_ _~- CI d TMP

l'tLt"

l' ~ H..I- 1 0 (~-~ ~

-

-._-

- ~ ?~._---=-:::=---...=~ HO-of>=O 1 o 1 NH 5'CH N / 2

1

/ °,

'H HC.? 'C-C~ C H

H' /

\

/1 ~N d AMP 1' 13'

r

i -,

- N - C, 1 H C - C 1 N"""C

~ ~

' H

O

₁

@.--~:::~~----__

_-

_{---=" .}

@

_OH

.

.

-HO-P=O "..! 1 a₁ H, /NH2 S'CH C-CH 1 2

°

1/ \

-<"

>.

HHC N-H C H H"c' \ 1 1,13' 'I ~ ,- - N- C d CMP H C - C 1 ~

@H

0 r.'lt <,... ?~!1r--->-.- ~ HO-P=O

-

----=~--~~

1 o 1 5'CH2 0

1/

0 ",H HC-7 N 'C_ t C H H

d

\

1/ 'N-H 1' 13' 1/ - N-C 1 d GMP HC~₁ l' "_N-c_, OH ~ NH2

FORMATION duPOLYNUCLt OTIOE. ESTtRlnCATION desFONCTIONS 3:

B) Structure des macromolécules d'A D N

1) Structure primaire

Nous appellerons structure primaire des A D N, la structure

formée par l'enchainement des mono~ères les uns aux autres. Cet e

n-chainement n'est pas quelconque, et c'est justement la séquence,

c'est-à-dire l'ordre des nucléotides (qui diffèrent par la nature

des bases) qui caractérise la structure S l des ADN et qui les

distingue les uns des autres.

Cet ench a i nemen t se fait, comme nous l'avons dit, par

des liaisons phosphodiester-3' ,S'et aboutit donc à des polynucléotides.

Selon le nombre de monomères constitutifs, il se forme ainsi des

molécules plus ou moins grosses, cor respondant à de longues chaines

non ramifiées et présentant chacune une séquence bien définie de

bases, séquence, répétons-le, qui lui est spécifique.

Il est admis, comme nous le verrons, que c'est dans la nature.même de cette séquence que réside l'information nécessaire

aux synthèses des protéines et toute l'information génétique.

L'analyse de ces s€quences pose des problèmes techniques

incomplètement résolus, à cause de l' énormi t é de ces chaines dont on

ne connaît même pas la masse molaire avec précision tant leur

fragi-lité est gr ande . Nous savons cependant que leurs dimensions sont

extrêmement variables

Masse Nombre de gènes

ADN moléculaire _{moléculaire 4 xlü}standards de masse

_s

Longueur

Monocaténaires Phage'" x 174 _{1,7 .10}6 4à5 _{1 à 2J,l} Bicaténaires Virus : poliomyélite 3,5.106 4à5 herpès 60.106 - 80 _49J,l Phages :

_À

35.106 - 40 23J,l T7 27.106 - 32 T21 T4 134.106 160-170 2.109 2000 à 2500 1 Bactéries : E.coli 1200J,l 1 équivalentà2à3

Cellules eucaryotes 2à3.1012 millions de gènes _lm

et-C - NH des bases azotées sont /1

o

- 17

-Remarquons enfin avec quelle économie de moyens (quatre bases seulement) les cellules vivantes sont capables de synthétiser un nombre extrêmement grand de molécules différentes dans leur

séquence de nucléotides. En effet, un polynucléotide de n nucléotides pourra, en fait, présenter 4n séquences possibles! (nombre d'appli-cations d'un ensemble à n éléments dans un ensemble à 4 éléments).

2) Structure secondaire (S II)

Ces polynucléotides sont-ils

Formés par de longues fibres toutes simples, ou bien - Adoptent-ils des configurations particulières ?

C'est la convergence d'observations "Cl.l"i~qui a conduit WATSON et CRICK à émettre leur hypothèse d'une structure en double hélice, tout au moins chez tous les organismes supérieurs.

,Ç,uelsu~s_0È..s~r~a!.i~n~~u!.le~~Q!!

- La viscosité et la densité de ces molécules sont incompatibles avec une structure de molécule en longue fibre ;

- Les fonctions-NH 2 masquées.

Les nucléotides semblent donc engagés dans des complexes asses stables qui ne se détruisent qu'en milieu très acide ou très alcalin.

Ces observations jointes à l'étude des spectres d'absorp-tion dans l'U. V. amènent à supposer l'existence d'une structure secondaire stabilisée par des liaisons labiles, susceptibles d'être détruites par différents traitements (c'est ce que l'on appelle la dénaturation).

- La_f~rme_ de cette structure a pu être prec~see par des diagrammes de diffraction des rayons X. C'est l'extension des recherches par diffraction des rayons X qui a permis à WILKI~S, WATSON et CRICK de proposer, en 1953, un modèle montrant qu'une macromolécule d'A D N est formée par deux chaines polynucléotidiques opposées

face à face par leurs bases, et reliées entre elles par des liaisons hydrogène.

L'ensemble d'une molécule d'A D N se présente a~ns~

comme une échelle dont les deux montants sont constitués par les

deux squelettes polydésoxyribose-phosphate, et les barreaux par les

paires de bases liées par des ponts hydrogènes et dont les noyaux

sont maintenus dans des plans horizontaux. Cette échelle est enfin tordue sur elle-même et forme une double hélice.

- La stabilité de cette structure II repose sur des forces de

nature diverse

Liaisons hydrogène entre les paires de bases : il apparaît que ces liaisons hydrogène se révèlent très

spécifiques et sont :

Au nombre de 2 entre A et T ;

Au nombre de 3 entre Cr et C. ( ~.19

)

La formation de liaisons hydrogène entre A et C par

exemple, ou T et ~ n'est pas physiquement impossible, mais elle

exigerait des distorsions de la structure hélicoidale, incompatibles avec les résultats de l'étude des diagrammes de diffraction des

rayons

x.

- Interactions dites hydrophobes (de type Van der WAALS) entre les plans successifs des bases.

Ces bases de nature organique n'ont aucune affinité

pour l'eau elles ont donc tendance à s'éloigner des molécules

d'eau et par conséquent, on les retrouve à l'intérieur de la

double hélice de l'A D N.

- Interactions hydrophiles ou d'hydratation entre les groupes glucides (désoxyribose) ou acides (phosphates).

Ces sroupes sont dirigés vers l'extérieur (milieu aqueux) de 1 'hélice.

\D Co) ~ >' schématisation 1 20A 1 je ~t 1 1 1

l/)

1 1 1 1 1 1 1 : ~ r 1\: 1 1 : ./ /"" J--- -,-1 -1 , , PAIRES de BASES GUANINE

®

5' .5 ,5

1f

C -

_

_

_

.h.u_--'-. _ r •- O p~. _•••

CD

,

..

~

S'

~

)-Q)

'

/,

->--:-.. T .,.---{.C IV .»' 1 \ \ A ....

'v1

31"-

-

V.5

c?

!

...-S

'

rlY(~

"

.» •• •• ~.

_

L

G

.,/

i--

.

'

-r

~,. : , 2 liaisons

HYDROGENE

~

T

-

=

~ .

-r T

~

A

1

!

~

l

i

1

Cette structure bihélicoidale rend ainsi les molécules d'A D N extrêmement compactes et rigides; leur conformation ne change pas avec les concentrations en électrolytes (validité de ce modèle confirmée au microscope électronique).

- ~e~~n~lys~s_c~i~iSu~s révèlent uneertain nombre de constantes chimiques intéressantes :

A

=

T et G

=

C en liaison avec la spécificité des liaisons (A - T) et(C - G)

Il apparaît ainsi, entre les deux chaines appariées, un rapport de complémentarité : nous devrons donc nous attendre à trouver, de façon systématique, une adénine en face d'une thymine, et une cytosine en face d'une guanine. La séquence des bases d'une chaine détermine ainsi la séquence des bases de l'autre chaine.

Enfin, du fait de cette complémentarité, les deux chaines sont orientées en sens opposé l'une par rapport à l'autre elles sont antiparallèles.

Ainsi, étant donné qu'elles sont complémentaires et antiparallèles, les deux chaines polynucléotidiques d'une molécule d'A D N sont qualitativement différentes l'une de l'autre: leur composition en bases n'est pas identique.

Soit le segment d'A D N suivant

2 T 1 C 1 A 2 G T - A ') T - A C••• G A ••• T G••• C G••• C 2 A 1 G 1 T 2 C

On a pu démontrer que seule une des deux chaines a une signification biologique.

absorptionrelativeà260 ml'

chauffage. puis refroidisse ment brutal --~ OËNATURATION IRRËVERSIBLE 1,4

1,3

1,2

1,1

- 21

-- ~a_d!n~t~r~tio~~e~ ! ~ !. Il est possible de détruire les différentes liaisons labiles qui participent à la stabilisation de cette structure S II ; en particulier, les liaisons hydrogène

qui lient A à T et C à G. Cette destruction de toutes les liaisons

hydrogène provoque finalement la séparation complète des deux chaines polynucléotidiques.Cette séparation peut être obtenue sans que se produisent des ruptures de chaines, et, sous l'action -d ' une température comprise entre 850

et 1100

par exemple, on assiste à une véritable fusion de la structure II, c'est-à-dire

à la séparation des deux chaines .

- Si on refroi d i t : brusquement la solution qu'on vient

de chauffer, on obtient un ADN que l'on qualifie de dénatur é :

- Son P. M. a diminué de moitié ;

- Sa vi s cos i t é a diminué elle aussi (les chaines

sép arée s ne sont plus orientées et prennen t

une conformation en pelote statistique) ; - L'intens ité de ses bandes d'absorption U V

a augmenté de 40 % par rapport à l 'A D N natif (c'est-à-dire non dénaturé). Les bas es

sont devenues plus disponibles pour absorb er l'énergie UV.

Comme la destr uc t i on de s trois liais ons H des pai re s (G - C)

s'effectue à une température plus élevée que celle des deux liaisons

des paires (A - T) (l'étude de l'absorption en fonc tion de la temp

é-rature donne des ren seignements sur la compos i t i on moyenne des

ADN) •

- Si on refro idi t par con t r e la solution d'A D N, non

plus brutalement, mais très progre ssivement , on retrouve

l'A D N ini t i a l qua lifié enc ore d'A D N natif, carac t é r i s é

par son P. M. , sa viscosité et son spectre U V. On a même pu

tester dans le cas d' A D N bactér i en, son activité biologique,

qui se révèle êtr e récupérée d'une façon intégral e. (voir rôle

des acides nucl éique s ).

3) Structures d'or dr e supér i eurs

- En fait, à l'exception des cellules ba c té r i enne s et des virus,

les ADN existent dans les noyaux cellulaires, sous forme de

combinaisons nuc l éoproteiques , loca l i sées essentiellement

dans les chromosomes . Les pro t é i ne s impliquées dans ces comp lexes

sont des pr ot é i nes basiques.

Ces comb inai sons entre ADN et protéine, sont assurées

par des liaisons de type salin entre le s groupements acides de

l'acide phos phori que et le s foncti ons bas iques libres de la

protéine (NH₂ de l'arginine et de la lysine pa r exemple) .

- Par cont r e , chez les bact é r ie s et les v~rus à A D N, l ' A D N

se révèle isolé et sous forme d'une molé cule circulaire.

4) Conclusion

On reti endra surtout la taille de ces molécules (revoi r

tableau donné avec la structure 1) et l'immens e variété des

combinaisons possibles .

Quand on sait qu ' un gèn e correspond à 150 0 nucléo t i des en

moyenne (ce qu~ corre s pon d à une longue ur de chaine de

1500

paires) ,

nous voyons que les mol écu l es d' A D N les pl us cour tes ne compor

-tant que 4 ou 5 gènes,ont déjà au moins 6.000 paires de bases, et

- d

4

6.000

b

i

nai

.

- 23

-Dan s ce même or dre d~idées, la totalité de l'A D N

d'une cellule sexuelle humai ne comporte 109 pa ire s de bases

si nous imaginons tout cet ADN sous forme d'une seule chaine

complètement dév i dée , el le me s ur e rai t un mètre de lon g et

, . d 410 9 , ·b l

presentera1t onc sequences pOSS1 es.

Et comp t e tenu du nombr e de cellules d'un organisme humain,

l'ensemble des molécules d'A D N d'un homme correspond à une

distance supérieure à la distance te rr e- s ol e i l 1•••

C) Structur e des macromolécules d'A R N

Cette de uxi ème grand e fami l l e d'acides nucléiques groupe

des macromolé cules de ta i lle et de cons ti tution très va r iées ,

moins stables que les macromol écu l es d'A D N.

Nous verrons aussi que leur fonc ti on , bien préc ise, est

différente de celle des AD N.

1) Structure primaire

- Comme pour les ADN il s'agit d'un enchainement 3', 5'

des rib onuc l é ot ides où l 'on dis tingue:

- 1 cha ine formée pa r un squelet tepol~ibose-phosphat~

Le long de laque ll e s'éche l onnen t le s bases suivant

une certai ne séquen ce (probablement dérivée1comme

nous le verrons, de ce lle de l'A DN) .

La connais san ce de ces séquences pose un probl ème encore plus

ardu qu'il ne l 'é t a i t pou r l'A D N : le s cellules contiennent

en effet un grand nomb r e d'espèces molécula ires d'A R N,

_ Du point de vue chimique , il fau t reten ir les deux diff irenc e s

fondament a l e s qui opposent les molicules d'A R N aux molécules d' A D N :

- Le sucre est touj our s le r~b.se et jamais le

désoxy-ri bos e ;

- Sur les quat r e bas e s organ iques, on retrouve l'Adenine,

la Guanine et la Cy t o s i ne, mais l'Uracile rempl a c e

toujours la Thymine.

2) Stru c t ur e secon daire

- Le s modific a t ions des proprii t is physiques subies par

les A R N nat ifs tr aiti s par de s agen t s dénaturant s mon tren t que,

sur une pa r t i e au m01ns de leur longueur , le s pol yr ibonucliotides prisen t ent des iliment s de struc ture II , stab il i s é s par des

liais ons Hydr ogène .

En effet , comme pour les A DN, la propr i i t i. d' ab s or be r

for t emen t en UV et l'itude de ce tte abs orp t i on a joui un rôle impo rtant dans la dé couve rte de la structure II de ces

macromo-licul es.

Ces pol yr ibonucl i ot i des uni fib r ill air es, c'est -à- d i r e formis d'une seu l e ch ai ne (monoc a ténaires) se pr és enten t donc sous de s formes var i é e s avec de s sec t eu rs prés ent an t des élé-ments de structure seconda ir e spira l ée , avec, à ce niveau, une cer t a i ne complémentarit é des bas es.

Ce sont en effet, en particuli e r,lts étude sdes phénomènes de fusi on qui on t apport i les argume nts appuyant ce tte conception.

- Pour les A D N, nous avons vu que la transition

ent r e l' état ordonné et l'état désordonné s'effectue

rapi demen t et dans un faible intervalle de

tempéra-ture : la doubl e héli ce s'effondre en bloc.

- Pour les A R N au coutra i r e, la fusion est

25 -importants, car les différents éléments à double hélice, répartis le long de la molécule et séparés par des secteurs non spiralés, "fondent" successivement, le nombre et la nature des liaisons variant d'un élément à l'autre.

Cette structure en grande partie monocaténaire des A R N explique ainsi les variations de conformation que l'on peut observer en fonction des conditions physicochimiques du milieu.

3) Structure tertiaire (SIII)

- Dans des solutions d'A R N de P. M. élevé, on a pu mettre en effet en évidence des modifications de configuration de

la chaine selon les conditions physicochimiques de la solution.

- Mais, on ne sait pas encore,de façon certaine, Sl cette configuration est significative de l'état de l'A R N

in vivo, où, comme les molécules d'A D N, les molécules d'A R N sont associées à des protéines basiques pour former des complexes nucléoprotéiques.

---

...

La complexité et la diversité des acides nucléiques ont rendu difficile une approche physico-chimique après des dêbuts prometteurs. Les acides nucléiques des organismes inférieurs

(virus, bactéries) peuvent être isolés "in vitro" en gardant

lpl''r(l rr<"p1"';~tpg biol ogi ques ou pern-et t ant une "manipulation génétique" qui a permis de résoudre de nombreux problèmes

(isolement de gènes, mutations provoquées etc ••. ) mais en a peut-être posé de nouveaux.

~

- LES PROTEINES

. >

Composées dans tous les cas de C, H, 0 et N, ces molécules contiennent en outre très souvent dd

S

et du

P

.

- Ce sont des copolymères de 20 acides aminés existant dans la nature, reliés par des liaisons peptidiques.

Il

Y

a en fait un grand nombre d'acides 'ami né s naturels, mais seuls vingt d'entre eux participent à la formation des protéines.

- La propriété biologique essentielle des protéines est, comme nous le verrons, leur aptitude àavoir des interactions spécifiques avec d'autres molécules, ce qui permet de les classer en :

- Pr ot é i nes de structure (interaction avec d'autres molécules pour parti-ciper à l'édification des structures cellulaires par exemple) ;

- Enzymes (interaction avec le substrat où doit avoir lieu la réaction 1 catalyser) ;

- Anticorps (interaction avec l'antigène, c'est-à-dire la molécule. étran~

.

gère

à

immobiliser). etc •.•

Nous verrous que cette deux molécules différentes, cette en liaison directe avec la géométrie

propriété fondamentale de reconnaitre étroite spécificité d'action)est de leur constitution.

- On peut enfin préciser que les protétnes forment 50 à

i 1

80

%

du poids sec d'un broyat cellulaire et qu'une cellule contient plus dUn millier d'enzymes différentes.

27

A) Acides Aminés et Liaisons pepti diques

Il n'existe dans les protéïnes na ture l l e s qu' une vingtaine d'acides ami nés di fférents .

1) Propr i été s communes aux Acides Aminés naturels

Où R est un groupement organique qui di f f è r e suivant l 'A.A.envisagé

et qui le caractérise.

C-OH

Il

o

- Ils portent tous (sur un même atome de carbone), deux fonc t ions organi que s

Une fonct ion amine NH 2 ;

- Une fonction acide COOH.

H

1

®-~-N

/

\

H H

- En solution aqueus e , l'A .A. prés en t e une dissociation

de ces deux fonctions , mais pas au même pH :

- En milieu acide, il se comporte comme un cation ;

- En milie u alcalin, il se comporte comme un anion. Pour certaines va l eur s du pH, il se comporte comme un

lon doub le (point isoé l ec t r i que ) pHi.

Sauf dans le cas où R

=

H, ils possèdent un carbone

tetra-substitué, ce qui leur conf è re un pouvoir de déviation sur la

lumière polarisée, et qui déteTni ne deux isomères optiques L et

D identi que s par aill eu r s quant à leurs propriétés chimiques.

nomenclature dérivée par conve n t ion du mode d'écriture adop t é pour les sucres:

C HO 1

@C_H

1

c

H~OH C

H

O

1

H-

C- @

1

c

~%.OH

cooH

@

-~-~

1 cH~

L·

b\t(e'lo.\de~ïdt

L-

a

\o.n i ne

2 A.A.de même configuration n'ayant pas obligatoirement le même type de pouvoir rotatoire, dextrogyre ou 1evogyre (cf les oses).

N. B. : La matière vivante parait n'utiliser très sélecti-vement que les A.A: de forme L (argument pour une origine uniqueœs êtres vivants: les premi~r8 A.A.formés ont sans doute été de forme L ).

2) Prorriétés distinctives

Les A.A.sont classés selon la nature de leur radical R.

- R de type _alipha~ique} Propriétés hydrophobes sauf - R de type aromat1que la glycérine où R ., B - R avec fonction amine supp1étmtaire

- R avec fonction acide - R avec fonction alcool

- R contenant du soufre. Très important (plusieurs classifications possibles d'ailleurs)

Importance des résidus cystéine : possibilité de création d'une liaison covalente entre les deux groupements su1fhydri1e : pont disu1fure obtenu par oxydation.

R - SB R - SB

R - S

1

R - S

(voir informations scientifiques "Polymères" p.8 - 9)

3) La liaison peptidique

c'est une liaison qui s'établit entre un groupement NH

2 d'un A.A.et le groupement COOH d'un autre A.A.: elle suppose donc l'élimination d'une molécule d'eau.

a) .!.l_s.!:. !oED~ .!i~si. ~n.!:. ~h.!i~e.!. .E.l~s_o~ ~oin!. .!.ong~e, selon le nombre de monomêres constitutifs.

29

- Quand le nombre des A.A.est petit, on désigne le polymère par le nom de peptide

2 A.A.

3 A.A.

n A.A.

dipeptide

tripeptide oligopeptides (jusqu'à 8

AAJ

polypeptides (j. 50 A.A)

Ces molécules restent capables de dialyse~ leur poids moléculaire étant peu élevé.

PM. 6.000 pour ' l'insuline, formée de 51 A.A.

(c'est l'hormone hypoglycémiante du pancréas).

- Quand le nombre d'A.A.est plus élevé, on parle de prote!ne, les molécules de P M élevé étant alors des macromolécules :

- Qui ne dialysent pas ;

- et qui présentent des propriétés colloidales liées à leur· taille, mais en fait, aucune limite précise existe entre peptides et proteines.

- Quand on ne voudra pas s'arrêter à la taille de la molécule, mais à sa structure, on parlera de molécule proteique.

- Une extrêmité avec NU2 libre - L'autre avec COOH libre.

Par convention, la lecture et la numérotation des C

se

fait de gauche à droite, le résidu

CV

terminal étant à gauche, et le résidu

~terminal

à droite.

(5PoH

/ '

H@

CO_NH

CO_Nti

Co_Nt-\

t-

,<1> ./

, , /

, , / '

-,

1

CH

1

cH

1

I!cH

0(.

CH

,

1

(- ,

\

Roi

R1.

"n-~ ~

n

Re/s,du

~

R/sidv ..

© .

L .

\~a

h

-k"tl'V\lna.\a.d7o,te.

.e.t:n'llna.

(1 ~o.uc

e

N. B. dans toutes ces liaisons peptidiques, les atomes sont donc reliés par des liaisons covalentes

B) Structure des molécules proteiques

.~ L'hydrolyse des molécules protéiques montre deux grandes classes de molEcules :

- Les holoprotéines con~tituées uniquement d'A. A. - Les hétéro~otéines constituées:

- n'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques - D'une partie non protidique (ou~groupemen~

prosthétique) de nature variable:

Osidique • Lipidique • Nucléique

• Noyau porphyrine.

- Si on s'intéresse maintenant à la structure on considère quatre niveaux d'organisation:

- Structure primaire ~ secondaire ~ tertiaire de ces molécules, •

"

.quaternaire ) Structure primaire (SI)

- Comme pour les acides nucléiques, elle est définie par la 8é9uenc~

des A.A.dans la chaine, re1i~,~ous l'avons vu par liaisons covalentes •

- Cette séquence caractéristique de chaque polypeptide détermine à elle seule, comme nous le verrons, les trois autres niveaux d'organieation, puisque ces niveaux sont établis par des

inter-actions entre éléments constitutifs plus ou moins proches des chaines.

- C'est auesi la seule structure qui soit "codée" génétiquement; nous verrons ultérieurement comment se réalise cette transmission rigoureuse d'une séquence qui peut atteindre 500 AA.

L'échange dfun s~ul A.A,peut entrainer des propriétés biologiques des protéines tout à fait différentes, si cet échange a lieu au niveau de certains secteurs précis.

2) Structure secondaire (SIl)

- Comme pour les acides nucléïques, de nombreux arwuments

peuvent faire penser que ces chaines ne restent pas rectilignes

- Longueur calculée et longuedr mesurée - Diagramme de diffraction des rayons X,

Mais, compte tenu des contraintes que nous allons analyser, seul, un nombre relativement limité de configuration spatiales est possible : ce sont ces configurations spatiales qui forment les structures secondaires.

a) Qéom!t.!i,! ~e_l.! .!.i.!i~n_p~p!idi~e établie sur une série de données cristallographiques par PAULING et COREY (1952) qui ont essayé d'établir un certain nombre de modèles respectant les distances interatomiques et les angles de valence.

- Les atomes CO - NH sont dans un ~e plan, 0 et H e~ position trans par rapport à C ~ N. Les angles de valence et les distances interatomiques se trouvent déterminés avec précision et les possibilités de rotation sont limitées (voir flèches poly 5).

- Des ponts hydrogènes intramoléculaires s'établissent alors

®

résidu ../ acide aminé

ct

carbon.

®

azote

@

oxygbn.

CD

hydrogène

---x-'&

_...

8:

c :T Q. Q li" c o 0:

a:

Q :J

-

Ci). ,'*-J r--J '*-J

>

carbone.

...

èn ëi. ~.

f

CI' ...

>-azote

0

oxygbne(!) hydrogène.

®

résidu acide aminé

W N

33

entre les groupes (NU) et (CO) et entrainent un enroulement de la chaine polypeptidique sur elle-même. Un petit nombre de modèles peuvent ainsi être envisagés.

b) Mo~è.!.e_de .!.'!!é.!.i~e_

0<.

satisfaisante.

C'est la structure hélicoïdale la plus

En fait, cette structure n'est pas toujours respectée dans les protéines globulaires naturelles qui sont faites des 20 A A dont les chaines latérales peuvent imposer des attractions ou des répulsions incompatibles entre elles. Il existe donc des régions hélicoïdales séparées par des régions non hélicoïdales.

Par contre, cette structure régulière en hélice se retrouve dans

certaines protéines fibreuses comme la kératine de la laine, par exemple.

- Structure naturelle de la fibroïne de la soie, cette structure

peut appra!tre aussi dans les fibres de l'~~ératine sous la

double influence de l'étirement et de la chaleur humide.

- Toutes les liaisons peptidiques participent à cette réticulation,

ce qui donne une grande stabilité à cette structure quand elle

existe. Mais, si les groupements R sont trop encombrants ou

trop chargés, leur interaction empêche l'existence de la structure

~.

C'est pour cette raison que la forme étirée d'un cheveu ou d'une fibre de laine n'est pas stable et reprend spontanément la

R

@

N

U"

eO

@e

OH

3) Structure tertia ire (S III)

L'étude des configurations spatiales des molécules protéiques permet d'y re c onna î t r e deux grands groupes :

- Des protéines fibreuses, allongées, peu solubles et qui forment surtout des tissus de soutien comme le collagène et la kératine

Des protéines globulaires , de forme ramassée, douées d'activité biologique.

- Or, la str ucture hélicoi dale n' expl ique pas à elle seule

la structure compacte des protéines globulaires, et on doit ad-mettre qu'un certain nombre de liaisons intramoléculaires entrainent un repliement de l'hélice sur elle-même. On considère que les

chaines spiralées se replient sur elles-mêmes au niveau de coudes, en rapport avec l'existence de résidus praline qui

d~vient

l'hélice de son trajet initial.

Des segments de chaines, éloignés, sont ainsi rapprochés/ et différentes liaisons peuvent alors stabiliser cette configuration.

- C~est donc bien la nature de la séquence des A.A.po1aires et non polaires, donc la structure l qui conditionne automatiquement

la conformation des molécules protéiques.

On

comprend aussi comment

les substitutions d'A.A.au cours de l'évolution:

35

N'altèrent en rien le fonctionnement de la molécule

s'il s'agit d'un secteur qui ne modifie pas la forme de la molécule

- Ou bien au contraire entrainent des modifications

impor-tantes et donc des troubles fonctionneis.

Exemples de liaisons qui stabilisent la structure III d'une

molécule :

- Pont disulfure entre deux cystéine éloigné (seules

liaisons covalentes)

Liaisons ioniques entre groupes

NH;

,

,- Liaisons hydrogène

- Forces de VAN de~ WAALS.

-et COO ;

- Exception fait~ des p~nts'di su l f ur e , ces liaisons qui

déterminent cette structure III sont des liaisons à faible

énergie. Aussi cette structure III est-elle très fragile. Ce

sont ces liaisons qui sont détruites au cours du f"'~~o~è."'~

de dénaturation. Ces dénaturations entrainent toujours une perte de l'activité biologique.

Certaines de ces dénaturations sont irréversibles, mais,. dans d'autres cas, si on élimine les agents dénaturants, la protéine retrouve spontanément sa conformation et son activité initiales (cas de l'urée).

.J)/YlCl~Vl:a.hon

et"

K

e

Yl

a

ha

ah

011

de

la.

'llbonvdéase

+uree • +mercaptoethanot en~me

'

l na ch v€

-urée - mercaploéthanol

•

- Il faut remarquer enfin que cette conformation III prise

....d~ \~~"'~Qy\C."~

par' une chaine peptidique n'est que la conséquence qu ont tous

les systèmes à rechercher l'état de moindre énergie i l s'agit

dans tous les cas, de la forme thermodynamiquement la plus stable de la molécule.

4) Structure quaternaire (S IV)

- Elle caractérise certaines protéines complexes formées

par l'association spécifique de plusieurs molécules protéiques

en un superédifice qui se révèle seul capable d'assurer

p1ei-nement les fonctions que 1~mo1écu1es individuelles n'assurent

que partiellement. Ces liaisons ne sont jamais lente.

de nature

cova-- Cas de l'hémoglobine (Hb) : c'est une molécule formée de quatre chaines po1ypeptidiques :

- 2 chaines 0(

- 2 chaines

(chacune de 141 A A) ;

(chacune de 146 A A).

Chacune de ces chaines étant associée à un Hème,

ferro-porphyrine, la position de ce hème étant rigoureusement fixée, comme on peut le voir sur les schémas.

automatiquement et s'associent pour reformer une molécule d'Rb fonctionnelle, vraisemblablement au niveau des zones non polaires

(interactions hydrophobes p.1~) adhérentes, qui se font face et se trouvent dissimulés dans la molécule.

Ces quatre chaines permettent un effet coopératif entre les hèmes : tout se passe comme si, à pression partielle d'OZ élevée, la fixation d'une molécule d'OZ par l'un des quatre hèmes accé-lérait fortement la fixation d'OZ par les 3 autres hèmes, et vice.versa pour les basses pressions. Il se produit une modi-fication de forme de la molécule: ce type d'interaction est appelé une transition allostérique (ce phénomène sera repris dans le troisième chapître).

N. B. : des molécules comme l'insuline ou la myoglobine n'ont pas de structure IV (l'insuline n'est formée à l'origine que d'une seule chaine, qui se coupe ultérieurement).

, " " " - - _

_.,...---

Pro 61

~~,

__ position6 Hb A:Glu HbS: Val Hb C:lys

37

®

~eç:e

Ma.

de la.

c:)tt~ t~l:e

qvaJe'rV)Qhe

de

1

HeVYlo3\obi ne ,

0

SYNTHESE ET DEPOL~1ERISATION DE CES MACROMOLECULES

GLYCOGENE ET AMIDON

A) Importance du Glucose G - Phosphate (G6 -P) et

On peut distinguer deux étapes

rôle de l'A T P

a - Glyco\yse du G₆ P pour donner deux moles d'Acide Pyruvique (A.P.).

C'est une chaine complexe de Il réactions, catalysées chacune par une enzyme spécifique, entièrement anaérobie et qui existe dans toutes les cellules.

- La réaction globale peut s'écrire

t:.

G

= -

38 Kcal/mole.

On voit donc que c'est une réaction s'accompagnant d'une diminution d'énergie libre importante donc d'une réaction spontanée.

(à condition qu'il existe un mécanisme pour la catalyser).

- La décomposition G

6P

~

2 AP

(Ati

de Pyzvvic::rve)

s'accomp~gnerait d'une diminution d'enthalpie libre de 52 Kcal/mole.

La différence est utilisée pour la synthèse de l'ATP qui servira de "réservoir d'énergie" à toutes les cellules. Cette synthèse de l'ATP nécessite en ef fet v? Kcal par mole, donc 14 KCal pour les deux moles d'ATP formées.

b - Deuxième étape dégradation.

l'acide pyruv~que n'est pas le terme ultime de la

Dans le cas des phénomènes respiratoires (qui nécessitent la présence indispensable d'oxygène), chaque mole d'A.P. est ensuite dégra-dée en CO

2 et H20 , au cours d'un cycle de réactions chimiques et d'une chaine d'oxydoréduction.

Cette dégradation s'accompagne d'une nouvelle diminution

d'~h\ha\~~libre, qui sera utilisée pour la synthèse de 18 nouvelles moles d'ATP par mole dIAPo oxydé.

39

c - Bilan énergétique de la dégradation d'une mole de G_6P.

Glycolyse

---I~~ 2 AP

Respiration

<

et formation de ~ ~18 x 2

=

36 moles d'ATP

2 moles d'ATP

AG

= -

420 Kcal/moltet formation de 38 moles d'ATP. )

·to~o \e

La décompositio~e mole de G_6P s'accompagnerait d'une diminution d'enthalpie libre de 686 KCal.

La "mise en réserve" de l'énergie sous forme d'ATP se fait donc avec un rendement de l'ordre de 40 % :

-1

o

0 X 38 x 7

=

39 %

686

Le pourcentage réel doit en fait dépasser 60

%

en consi-dérant que les cellules sont des systèmes ouverts et que les valeurs

de~G' doivent être corrigées en fonction des concentrations réelles en AnP, ATP, Phosphate, existant dans les cellules.

- Il se forme,soit directement sous l'influence d'une enzYme qui fixe un reste Phosphate de l'ATP sur le glucose (phosphory~tion) ;

Soit indirectement à partir du glycogène, par phosphorolyse au

niveau de la liaison 1-4 du glucose situé à l'extrêmité de la chaine.

Ceci est tout aussi valable pour l'amidon des cellules

végétales (glycogène et amidon sont les formes de réserve du glucose dans les cellules).

B) Synthèse des osides

c'est un bon exemple d'utilisation de l'énergie de l'ATP pour exécuter un travail chimique utilisant comme intermédiaire

{une autre synthèse (transitoire» du GIP

CH,OH Eau Suc rose CH,OH

~

H

HOCH, 0 H

---~~

HH H 0

k:~~

+H,o OH - - '

H

tH,OH H OH OH H OH

+

Glucoss

HOC)ç0~

HO

H

'CH,OH OH H Fructose âG'- +5500 csl/mole

Ô

+

glucose-» ADP

+J

~IU~

J

gl~c?se

_

l~ter~

fructoses-ssucrose

+

phosphate Somme:

1

ATP

1

'+

glucose

+

Iructoses-s

ADP

+

sucrose

+

~hOS~'nQ\:e.

Nous envisagerons ici le cas du glycogène, les phénomènes étant très comparables pour l'amidon.

La synthèse du glycogène se fait à partir du glucose, grâce

à un processus répétitif, catalysé enzymatiquement, qui fixe des molé-cules de glucose successives à une extrêmité de la chaîne. Pour la fixation d'une molécule de glucose, il faut 6 réactions successives, catalysées chacune par une enzyme spécifique :

1. glucose

+

ATP ~glucose 6-phosphate + ADP

2. glucose ë-phosphate~glucose l-phosphate

3. glucose l-phosphate

+

UTP~UDP-glucose

+

pyrophosphate

4. UDP-glucose

+

.

glycogène"~glycogènen+l

+

UDP

S. ATP

+

UDP~ADP

+

UTP

6. pyrophosphate

+

H20~2 phosphate

Somme : glucose

+

2ATP

+

glycogène"~ 2ADP

+

2P

+

glycogène'''l

U.T. p. signifie Uridine Triphosphate et U.D.~: Uridine Diphosphate, l'uridine étant formée par établissement d'une liaison N-glycosidique entre le ribose et l'uracile:

o

liaison N-glycosidique

0\\ OH

L'uridine diphosphoglucose (UDP-glucose) peut être considé-rée comme unt ransporteur de glucose. Cet UDP-glucose peut perdre son glucose en le fixant à l'extrêmité non réductrice d'une molécule initiatrice existante (dextrine).

Deux molécules d'A T P sont donc nécessaires à la fixation d'uœmolécule de glucose: l'une pour élever le niveau énergétique du glucose en le transformant en glucose-6P, la seconde pour régénérer l'UTP à partir d'UDP.

Nous reviendrons sur l'aspect extraordinaire de cette capa-cité de biosynthèse et sur l'importance des transferts d'énergie dans

ces cellules.

Le4G' de l'hydrolyse de deux moles d'ATP

= -

14.000 Cal.

LeAGo de la synthèse d'une liaison glycosidique

=

+ 5.000 Cal.

La force d'entrainement thermodynamique nette est de

- 14 . 000 + 5.000

= -

9.000 Cal/mole de Glucose.

Cette valeur importante de -AG permet la synthèse. Cela

peut paraître plus coûteux qu'il n'apparaît nécessaire, mais c'est le prix que doit payer la cellule pour que la synthèse du glycogène

puisse se faire dans un milieu aqueux dilué.

La synthèse d'une molécule de glycogène contenant 10.000 unités de glucose nécessite ainsi l'apport de 20.000 molécules d'ATP en 10.000 cycles de six étapes de réactions enzYmatiques,et les cellules sont capables d'en fabriquer des milliers par seconde.

C) Dépolymérisation enzymatique des polyholosides

On peut distinguer deux grands types de dépolymérisation.

On parlera dans ce cas de "digestion". Ces réactions se produisent sous l'influence

- D'amylases qui hydrolysent l'amidon et le glycogène - De cellulases qui hydrolysent la cellulose.

a - Répartition de ces enzymes

- Seuls les microorganismes ont des cellulQses en abondance. Amylases et cellulases sont rejetées à l'extérieur: on parle de "digestion externe" ;

- Chez la plupart des animaux, ces enzymes sont rejetées dans un tube digestif. Ce sont essentiellement des amylases ;

43

- Chez les végétaux enfin, ce seront encore des amylases qu'on retrouvera dans les graines et les tubercules en germination, les feuilles •••

b - Mode d'action des amylases:

On distingue deux types d'amylases:

- Des~~mylases : ces enzymes scindent les macromolécules d'amidon

ou de glycogène en milieu de chaine (d'où leur

qualificatif d'endoamylase).

On suppose que l 'enzyme détruit la

struc-ture spiralée de la macromolécule en

rompant des liaisons de type 1-4

dis-tantes d'une spire.

Il se forme ainsi des oligosaccharides formés de 6 à 7 unités de glucose. On remarquera aussi que les liaisons 1-6 ne sont pas affectées.

- des~mylases :(on ne les trouve que chez les végétaux). Ces enzy-mes s'attaquent aux bouts de chaines en en détachant des monomères de maltose.

Cette deuxième catégorie de dépolymérisation se rencontre en particulier dans les cellules du foie ou du muscle, dans lesquelles le glycogène est la forme de réserve du glucose.

Les phosphorylases, enzymes qui catalysent ces réactions)

attaquent la macromolécule en bout de chaine en fixant le dernier

glucose sur une moélcule d'Acide Phosphorique: il se forme ainsi

une molécule de GIP à chaque attaque enzYmatique.

Du point de vue énergétique, la cellule possède ainsi immé-diatement du glucose sous forme d'ester phosphorique, seule forme qu'elle soit capable de métaboliser. Il faut cependant remarquer

qu'il n'y a pas eu "économie" d'énergie . mais conservation de cette énergie puisque la synthèse du glycogène a déjà nécessité l'inter-vention de transporteurs d'énergie (voir l B1) •

11 _

BIOSYNTHESE DES MACROMOLECULES INFORMATIONNELLES

(acides nucléiques et Protéines)

L'étude de la constitution et du fonctionnement chimique des organismes démontre la remarquable unité chimique du monde vivant.

On retrouve chez tous les organismes vivants les mêmes systèmes fondamentaux de réactions (les dif f éren t e s étapes des oxy-dations cellulaires par exemple .•.) les mêmes acides aminés. etc .•.

C'est ainsi que certaines enz yme s (le coenzyme A par exem-ple) isolées à partir d'une bactérie ou d'un mammifère auront exac-tement la même structure. La révélation de cette unité profonde. cachée sous l'immense diversité des types morphologiques, est l'un des résultats capitaux de la biochimie à ce jour.

Il n'en reste pas moins vra~ que le monde vivant est extraordinairement divers et que c'est à la biochimie qu'il incombe de rechercher la base chimique de l'extraordinaire diversité observée.

Il lui faudra aussi essayer d'expliquer par exemple la stabilité des espèces, en même temps que les phénomènes d'évolution.

En fait, à l'immense va ri été morpho logique des êtres vivants correspond une variété plus grande encore de structures macromoléculaires,

qu~ constituent le support chimique de cette diversité. Prenons le cas des protéines : l'agencement de 20,p""A.en séquences de quelques centaines d'éléments. offre des ressources pratiquement infinies de

possibilités : une protéine de 850 acides aminés donne lieu à

20850-_cornb_~"_{na ~ s on s poss~bles,}" " _{S01t plus}"

de 10 100 0 pOSS1ibi~l~tesIi ~ ! ... Et, à cette échelle moléculaire, la

bio-chimie devra interpréter l'étonnante stabilité de ces énormes types macromoléculaires sur laquelle repose la stabilité des espèces.

On entre,avec ces problèmes, dans le domaine de la

- Considérons, par exemple, la biosynthèse d'une chaine peptidique relativement courte, comme celle de l'insuline. Il s'agira de former une cinquantaine de liaisons peptidiques, dont l'agencement n'e st

identique à celui d'aucune autre protéine. La formation de chacune

de ces liaisons implique donc un choix particulier unique. Si

chacun de ces choix était effectué par une enzyme spécifique (comme

dans le cas des réactions métaboliques ordinaires), il faudrai t une

cinquantaine d'enzymes pour synthétiser la seule molicule d'insuline,

et une cellule devrait mettre en jeu près de 3 millions d'enzyme s

différentes pour synthétiser les quelques millions de protéines de P.M.I05, dont elle a besoin pour ses différentes réactions méta-boliques !... C'est absurde ! .•.

Un autre type de déterminisme doit nécessairement inter-venir. Nous verrons que cette chimie de l'hérédité (biosynthèse des

protéines et des acides nucléiques) est remarquable par sa simplic i t é

et sa logique. Alors que les acides nucléiques sont des molicules

adaptées au stockage et à la transcription de l'informati on b io-logique, les protéines sont, au contraire, les moléc ules const i t uan t

l'expression de cette information.

- Il apparaît donc, à la lumière de ce préambule, que si la biosynthè s e

des acides nucléiques et des protéines est encore plus complexe. que

celle d~polyholosides et des lipides, ce n'est pas parce que les types de liaisons chimiques reliant les monomères sont particul i

è-rement compliquées, mais bien parce que ces élémnets de construction

doivent être incorporés dans la structure de ces longues chaines

dans un ordre exact et rigoureusement spécifique.

Les principes et les modèles des réactions enzymatique s

que nous avons vus avec la synthèse des polyholosides sont en ef f et valables pour la biosynthèse de tous les composants chimiques des cellules vivantes.

A) L'A D N = matériel génétique

Rappelons d'abord que l'A D N, contrairement à ce que l'on a cru

pendant longtemps, n'est pas strictement localisé dans les .chr omo

-somes du noyau, mais qu'il en existe aussi dans divers constituan t s

cellulaires. On adment actuellement que cet ADN extranucl éair e

joue aù ••iun raIe gfinEtique pour la reproduction précise de ces aeulscOD.tituants cellulaires.

Chez les bactéries et les virus à A D N, cet acide.

Rucléique

e.t isolé et se prEsente comme une ou deux moléculel

circulaires. Par contre, chez tous les autres êtres vivant.,

rappelou que cet ADN est lié à des protéines ba.ique. pour '

formewd'énorJDes complexes (laI chromatine).

- C'est donc cet ADN qui contient toute l'information génétique,

nécelsaire à une reproduction exacte à'un individu. Diverses

expériences, réalisées chez lès bactéries et chez les virus,

montrent en effet que c'est bien ce type demolécu1e qui est

capable de :

- Diriger sa propre replication ;

- Diriger la synth~se des protéines.

- Ce n'est qu'en 1944 qu'AVERY a montré qu'une molécule d'A D N,

ch~iquement purifiée et identifiée, était susceptible de

trans-mettre certains caract~res d'une lignée bactérienne à une autre.

- A la même époque, BEAnLE et TATUM (1941) démontraient qu'un gêne

agissait sur l'aspect extérieur d'un caract~re par l'intermédiaire

d'enzymes. Les gènes contralalent donc la synth~se de protéines.

B) Le code génétique

- L'hypothèse fondamentale est que l'information génétique est

contenue dans les A D N, sous forme d'une séquence particuli~re

de trois paires de bases: c'est l'hypoth~se du code à triplet.

La séquence des nucléotides est en effet le seul élément

variable connu des molécules d'A D N, susceptible de rendre compte de l'extrême diversité de structure de ces macromplécules.

Une molécule d'A D N de 10.000 paires de nucléotides

(P M • 6 x 106) peut présenter 410•000 types de séquences

dif-férentes ••• Mais pourquoi envisager des tripiets de bases? Si

dans la mesure où il existe 20 AA et seulement 4 bases, une seule

base ne peut coder un acide aminé d'une manière univoque, pas

2

plus que ne le peuvent des couples de bases (4 =]6 couples

différen4possib1es). Il faut donc retenir l'idée des triplets

(4 3

=

64 triplets possibles), en admettant qu'un même

A.~peut

être codé par 3 triplets différents en moyenne.

Cette hypothèse de départ a pu être vérifiée par des études sur les virus.

- Le code génétique est aujourd'hui ~Qrfaitementconnu: on peut

assigner un sens précis, dans le langage protéique, à 61 triplets sur les 64 possibles. Ce code est universel, identique pour une

bactérie et pour l'homme.

Diverses expériences indiquent aussi très clairement que la traduction du code se fait selon un mode, non chevauchant et

sans virgule, la fin du message (c'est-à-dire la fin de la chaine

peptidique) étant indiquée par un triplet non-sens) .

UAC CGA UUA BCA UGC CCA UGG CAG UAA UAA Aue AAC

\....--.J~\-...J\.-..-JI...--.lL-..JI...-JL-J ~I...-J

i

t

Arrêt

L'ordre de grandeur d'un segment de mo\icule d'A D N

47

correspondant à une protéine standard de 1.000 AA et de

P ~1 120.000, c'est-à-dire l'ordre de grandeur d'un gène, sera

donc égal à un segment de chaine de ].000 triplets, soit 3.000

nucléotides, soit 1 P M de 3.000 x 2 (double chaine) x 300

=

1,8 106, si on admet 300 comme P H moyen d'un nucléotide.

revoir tableau du 1er chapitre p ]6

C) Le fonctionnement des gènes et la synthèse des protéines

Pour transposer l'information qui est contenue dans le gène en une séquence définie d'AA, la cellule emprunte deux étapes successives :

Copiage, au niveau des chromosomes, de la séquence des nucléo-tides qui constitue le gène, en une séquence polynucléotidique complémentaire, mais de type ARN (ARN messager

=

ARNm).

ce copiage, c'est la transcription.

- Déchiffrage du code inscrit dans le ARN messager (ARNm) au niveau des particules cytoplasmiques ou ribosomes: c'est au cours de cette deuxième étape que seront donc réellement synthétisées les chaines polypeptidiques au contact de l'ARN messager. Celui-ci n'ayant pas d'affinité spécifique pour les AA, un nouveau type d'ARN est impliqué dans cette synthèse des

polypeptides, l'ARN de transfert (ARNt).

ce déchiffrage, c'est la traduction.

C'est le dogme central de la biologie moléculaire

ADN - - - + ) ARN

m

Transcription

---~~ Protéines

Traduction

Si l'on ajoute l'ARN ribosomal (ARN ), présent dans

r

les ribosomes, ce sont trois ARN différents que l'on trouve dans le processus.

Tout part donc des molécules d'ADN, et nous étudierons d'abord leur synthèse.