Revision sheet: Relation structure-fonction des biomolécules

📋 Plan du Cours

1. Acides aminés et peptides
2. Structures et familles protéiques
3. Protéines globulaires et enzymes
4. Protéines membranaires et signalisation
5. Lipides et acides gras
6. Triglycérides et phospholipides
7. Fluidité des membranes
8. Fluidité et asymétrie membranaires
9. Fonctions et types de glucides
10. Oses et liaisons glycosidiques
11. Polysaccharides et réserves énergétiques
12. Glycosaminoglycanes et matrices
13. Reconnaissance et groupes sanguins

📖 1. Acides aminés et peptides

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Possède une fonction amine, une fonction carboxyle et un radical variable qui détermine les propriétés physico-chimiques des peptides et des protéines.

★ À maîtriser

📌 Les acides aminés protéinogènes sont incorporés dans les protéines lors de la traduction d’un ARN messager par un ribosome, tandis que les acides aminés non protéinogènes ne le sont pas directement.

• Il existe 20 acides aminés protéinogènes, dont 9 acides aminés essentiels qui ne sont pas synthétisés de manière endogène et doivent être apportés par l’alimentation.

• La liaison peptidique se forme par condensation entre la fonction carboxyle d’un acide aminé et la fonction amine d’un autre acide aminé.

• La structure primaire d’un peptide ou d’une protéine correspond à sa séquence d’acides aminés lue de l’extrémité amino-terminale vers l’extrémité carboxy-terminale.

• Les peptides ou oligopeptides comportent de 2 à quelques dizaines d’acides aminés et constituent des cibles pharmacologiques intéressantes car ils sont généralement facilement synthétisables.

Compléments

• Les neuf acides aminés essentiels sont la méthionine, la leucine, la valine, la lysine, l’isoleucine, la phénylalanine, le tryptophane, l’histidine et la thréonine.

• La gramicidine perméabilise les membranes et la ciclosporine possède des propriétés immunomodulatrices utilisées notamment contre les maladies auto-immunes et les rejets de greffe.

• La pénicilline, découverte par Fleming en 1928, est un peptide produit par Penicillium qui bloque la formation des parois bactériennes.

• Les peptides cycliques ne possèdent pas d’extrémités amino-terminale et carboxy-terminale libres.

💡 Astuce mémo

Acide aminé → peptide → protéine

📖 2. Structures et familles protéiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Correspond à l’association de plusieurs chaînes polypeptidiques au sein d’une même unité par des liaisons covalentes, ioniques ou hydrogène.

★ À maîtriser

📌 La structure secondaire correspond à un repliement local en hélice alpha, en feuillet bêta ou sous une autre forme, tandis que la structure tertiaire correspond au repliement tridimensionnel global de la chaîne.

📌 Les protéines fibreuses sont très allongées, généralement insolubles et résistantes à la protéolyse, tandis que les protéines globulaires sont compactes et solubles.

• Le collagène représente 25 % des protéines chez les mammifères et sa structure de base est une triple hélice de tropocollagène.

Compléments

• Le collagène de type I se trouve notamment dans la peau, les tendons, le blanc de l’œil et la dentine, et il est principalement sécrété par les fibroblastes.

• Une inflammation peut augmenter la production d’hormones et de cytokines, stimuler les fibroblastes et provoquer une surproduction de collagène responsable de fibroses.

• L’ostéogenèse imparfaite résulte de mutations du gène du collagène I et entraîne notamment une grande fragilité osseuse avec fractures multiples.

📖 3. Protéines globulaires et enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Myoglobine : Une protéine globulaire monomérique d’environ 17 kDa, composée d’une centaine d’acides aminés, qui stocke l’oxygène dans les muscles cardiaques et squelettiques grâce à un noyau hème contenant du fer.
• Enzyme : Une protéine qui accélère une réaction spécifique d’un substrat sans être modifiée par cette réaction.

★ À maîtriser

• L’hémoglobine adulte HbA est majoritairement formée de quatre sous-unités selon la formule α2β2, chaque sous-unité contenant un noyau hème avec un atome de fer.

• Chez l’adulte, 97 % de l’hémoglobine est de type HbA α2β2, 2 à 3 % est de type HbA2 α2δ2 et moins de 1 % peut rester sous forme HbF α2γ2.

• L’hémoglobine transporte l’O2 des poumons vers les tissus et une partie du CO2 des tissus vers les poumons, avec une fixation coopérative de l’O2 sur ses quatre noyaux hème.

📌 La forme T désoxygénée de l’hémoglobine a une faible affinité pour l’O2 et tend à le libérer, tandis que la forme R oxygénée a une forte affinité et tend à le fixer.

• Une apoenzyme est la partie purement protéique et inactive seule, tandis qu’une holoenzyme est l’association active de l’apoenzyme avec son cofacteur.

Compléments

• Une lyse des cardiomyocytes lors d’un infarctus du myocarde libère de la myoglobine et augmente sa concentration sanguine.

• La saturation normale de l’hémoglobine dans le sang artériel est de 100 %, une saturation inférieure à 90 % définit une désaturation avec hypoxémie, et une concentration en hémoglobine T inférieure à 5 g/dL est associée à une cyanose.

• L’amylase est une hydrolase salivaire et pancréatique qui hydrolyse les liaisons osidiques de l’amidon en sous-unités de glucose à 37 °C.

💡 Astuce mémo

Myoglobine stocke, hémoglobine transporte

📖 4. Protéines membranaires et signalisation

★ À maîtriser

• Une protéine transmembranaire traverse la bicouche lipidique, une protéine ancrée y est fixée par une ancre lipidique, tandis qu’une protéine périphérique interagit facilement avec la surface membranaire.

• La pompe sodium-potassium utilise l’hydrolyse de l’ATP pour faire sortir 3 Na+ et entrer 2 K+ contre leurs gradients électrochimiques, ce qui la rend électrogénique.

• La fixation d’un ligand sur un récepteur transmembranaire déclenche une transduction intracellulaire du signal pouvant conduire à la survie, à la prolifération ou à la différenciation cellulaire.

• Un récepteur à tyrosine kinase se lie à un facteur de croissance, change de conformation, active une kinase puis déclenche une cascade de phosphorylations pouvant modifier l’expression de gènes.

• Un RCPG possède 7 domaines transmembranaires et transmet le signal par fixation du ligand, changement de forme, activation d’une protéine G, activation d’effecteurs puis réponse biologique.

Compléments

• La pompe Na+/K+ est un hétérotétramère comprenant une sous-unité α à 10 domaines transmembranaires, une sous-unité β à un domaine transmembranaire et parfois une sous-unité γ.

• Dans l’olfaction, une molécule odorante active un RCPG des cils olfactifs, ce qui ouvre des canaux ioniques, dépolarise le neurone et déclenche un potentiel d’action vers le bulbe olfactif.

💡 Astuce mémo

Ligand → conformation → signal → réponse

📖 5. Lipides et acides gras

🔑 Notions clés & Définitions

• Lipide : Une biomolécule constituée principalement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, insoluble dans l’eau, apolaire hydrophobe ou amphiphile.
• Acide gras : Un acide carboxylique de formule $R-COOH$ dont la chaîne aliphatique hydrophobe comporte généralement 4 à 30 carbones.

★ À maîtriser

• Les principales familles lipidiques sont les acides gras, les glycérides, les phospholipides, les sphingolipides, les glycolipides, les stérols et les stéroïdes.

• Un acide gras saturé ne possède aucune double liaison, tandis qu’un acide gras insaturé possède une ou plusieurs doubles liaisons.

• L’acide stéarique possède 18 carbones, aucune double liaison et une température de fusion de 70 °C, tandis que l’acide oléique possède 18 carbones, une double liaison en position 9 et une température de fusion de 13 °C.

📌 Les doubles liaisons introduisent des angles qui espacent les acides gras et abaissent leur température de fusion, tandis que les chaînes saturées rectilignes se compactent et augmentent cette température.

• Lorsqu’une cellule est endommagée, une phospholipase libère l’acide arachidonique des phospholipides membranaires, puis la cyclo-oxygénase forme notamment des prostaglandines; l’aspirine inhibe irréversiblement la cyclo-oxygénase.

Compléments

• L’acide linoléique possède 18 carbones et 2 doubles liaisons avec un point de fusion de −5 °C, tandis que l’acide linolénique possède 18 carbones et 3 doubles liaisons avec un point de fusion de −11 °C.

• La nomenclature oméga repère la position d’une double liaison depuis l’extrémité méthyle CH3, tandis que la nomenclature delta la repère depuis le groupe carboxyle COOH.

💡 Astuce mémo

Saturé compact, insaturé coudé

📖 6. Triglycérides et phospholipides

🔑 Notions clés & Définitions

• Triglycéride : Un lipide complexe formé d’un glycérol dont les trois fonctions hydroxyles sont estérifiées par trois acides gras.
• Glycérophospholipide : Contient un glycérol, deux acides gras, un phosphate et une tête polaire pouvant inclure la choline, la sérine, l’éthanolamine ou l’inositol.

★ À maîtriser

• L’estérification d’un glycérol par trois acides gras forme trois liaisons esters et élimine trois molécules d’eau.

• Les triglycérides sont stockés dans les adipocytes et leur concentration sanguine ne doit pas dépasser 150 mg/dL, au-delà de quoi le risque de maladies cardiovasculaires augmente.

• Dans un milieu aqueux, les phospholipides amphiphiles s’organisent en micelles ou en bicouches en exposant leurs parties hydrophiles à l’eau et en protégeant leurs parties hydrophobes à l’intérieur.

Compléments

• Les bicouches lipidiques possèdent une propriété d’auto-fermeture qui permet la formation de liposomes.

📖 7. Fluidité des membranes

★ À maîtriser

• La fluidité membranaire permet la flexion, la rotation et la diffusion latérale des lipides et dépend de la composition lipidique, de la température et du cholestérol.

📌 Les chaînes d’acides gras courtes et insaturées favorisent un état fluide, tandis que les chaînes longues et saturées favorisent un état visqueux.

📌 Dans une membrane riche en acides gras saturés et initialement visqueuse, le cholestérol augmente la fluidité, tandis que dans une membrane riche en acides gras insaturés et initialement fluide, il la diminue.

Compléments

• À basse température, certains organismes augmentent la proportion d’acides gras insaturés de leurs membranes afin de maintenir leur fluidité.

• Le cholestérol peut constituer jusqu’à 50 % de la membrane.

📖 8. Fluidité et asymétrie membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fluidité membranaire : La capacité des lipides de la membrane plasmique à fléchir, tourner et diffuser latéralement grâce à leur mouvement permanent.
• Asymétrie membranaire : Signifie que la composition lipidique diffère entre le feuillet interne et le feuillet externe de la membrane plasmique.
• Liposome : Une bicouche lipidique repliée sur elle-même, capable de fusionner avec d’autres membranes biologiques.

★ À maîtriser

📌 Une membrane est plus fluide lorsqu’elle contient des chaînes d’acides gras courtes et insaturées, tandis que des chaînes longues et saturées la rendent plus visqueuse.

Compléments

• À basse température, certains organismes augmentent la proportion d’acides gras insaturés afin d’empêcher la membrane de se figer et de perdre ses fonctions.

📖 9. Fonctions et types de glucides

🔑 Notions clés & Définitions

• Glucide : Un polyalcool contenant soit une fonction aldéhyde, formant un aldose, soit une fonction cétone, formant un cétose.

★ À maîtriser

• La formule brute générale des glucides est $C_n(H_2O)_n$.

• Les glucides servent de source d’énergie immédiate avec le glucose ou de réserve avec l’amidon et le glycogène.

• Dans une chaîne carbonée, un aldéhyde est situé en fin de chaîne, tandis qu’une cétone se trouve au milieu et possède un groupe carbonyle lié à deux carbones.

Compléments

• Les glucides ont aussi un rôle structural dans les acides nucléiques avec le ribose et le désoxyribose, dans les parois végétales avec la cellulose et dans les matrices extracellulaires.

• Le ribose est le pentose le plus important, le glucose est l’hexose le plus important et le fructose est un hexose présent dans les fruits et le miel.

📖 10. Oses et liaisons glycosidiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Monosaccharide : Un glucide constitué d’une seule molécule osidique.
• Liaison glycosidique : Résulte d’une condensation entre l’alcool OH du carbone anomérique et un autre alcool, avec perte d’une molécule d’eau.

★ À maîtriser

• En solution, les oses se cyclisent, ce qui crée un nouveau carbone asymétrique appelé carbone anomérique.

• Après cyclisation, un groupement OH orienté vers le bas correspond à l’anomérie alpha, tandis qu’un OH orienté vers le haut correspond à l’anomérie bêta.

• Un disaccharide contient deux oses, un oligoside contient de trois à dix oses et un polysaccharide contient plus de dix unités osidiques.

Compléments

• La nomenclature d’un ose précise son anomérie alpha ou bêta, son énantiomérie D ou L, son nom et la forme de son cycle, comme dans l’alpha-D-glucopyranose.

📖 11. Polysaccharides et réserves énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Polysaccharide : Un polymère constitué de plusieurs dizaines d’unités saccharidiques reliées par des liaisons glycosidiques.
• Cellulose : Un polymère linéaire de milliers d’unités de glucose, assemblées en faisceaux parallèles formant des microfibrilles puis des fibres végétales.

★ À maîtriser

• Le lactose est formé de galactose et de glucose, puis hydrolysé dans l’intestin par la beta-galactosidase, ou lactase, afin de permettre leur absorption séparée.

📌 La cellulose possède principalement des liaisons beta 1-4, tandis que l’amidon et le glycogène possèdent des liaisons alpha 1-4.

📌 L’amidon constitue les réserves énergétiques des végétaux et comprend amylose et amylopectine, tandis que le glycogène constitue les réserves des animaux dans le foie et les muscles ainsi que celles des champignons.

• Après un repas, l’insuline favorise le stockage du glucose sous forme de glycogène dans le foie, tandis que pendant le jeûne le glucagon favorise la dégradation du glycogène en glucose.

Compléments

• Le saccharose est formé de glucose et de fructose et est produit notamment par la betterave et la canne à sucre.

• La cellulose apporte robustesse et résistance à la pression aux végétaux, contribue à leur port dressé et forme des capillaires permettant la conduction de l’eau.

• L’amylase salivaire digère les liaisons alpha 1-4 de l’amidon et libère du glucose utilisable comme substrat énergétique, tandis que la cellulose résiste à la dégradation par les enzymes humaines.

• Les herbivores utilisent la cellulose grâce à des bactéries de leur tractus digestif qui produisent des cellulases capables de dégrader les liaisons beta 1-4.

📖 12. Glycosaminoglycanes et matrices

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycosaminoglycanes : Des polysaccharides de la substance fondamentale des matrices extracellulaires animales qui forment un gel de remplissage entre les cellules.
• Acide hyaluronique : Un polymère formé par la répétition d’un motif disaccharidique associant acide glucuronique et N-acétylglucosamine.

★ À maîtriser

• L’acide hyaluronique augmente la résistance à la compression des tissus conjonctifs, la viscosité du liquide synovial et l’élasticité du cartilage.

• Les matrices extracellulaires assurent la protection et la structuration des cellules, la résistance et la souplesse des tissus, la dureté des structures calcifiées et la diffusion de l’eau, des ions, des nutriments et des signaux.

Compléments

• Les principaux glycosaminoglycanes cités sont l’acide hyaluronique, le chondroïtine sulfate, le dermatane sulfate, le kératane sulfate, l’héparane sulfate et l’héparine.

• L’acide hyaluronique est présent dans les tissus conjonctifs et le liquide synovial, le chondroïtine sulfate dans les cartilages, le dermatane sulfate dans le derme, le kératane sulfate dans la cornée et l’héparane sulfate ainsi que l’héparine dans le foie et les poumons.

📖 13. Reconnaissance et groupes sanguins

🔑 Notions clés & Définitions

• Oligoside : Un glycane constitué de trois à dix unités osidiques, principalement impliqué dans les mécanismes de reconnaissance cellulaire.

★ À maîtriser

• Sur la face externe de la membrane plasmique, un glucide lié à une protéine forme une glycoprotéine, tandis qu’un glucide lié à un lipide forme un glycolipide.

• Les glucides membranaires sont situés sur le feuillet externe et permettent l’étiquetage ainsi que la reconnaissance spécifique entre cellules.

• Le motif antigénique O comprend un glucose, deux galactoses, une N-acétylglucosamine et un fructose ; le groupe A ajoute une N-acétylgalactosamine et le groupe B ajoute un galactose.

• L’enzyme H forme le motif O chez tous les individus, puis l’enzyme A ajoute une N-acétylgalactosamine ou l’enzyme B ajoute un galactose selon le patrimoine génétique.

• Un individu du groupe A produit des anticorps anti-B, un individu du groupe B des anticorps anti-A, un individu du groupe O des anticorps anti-A et anti-B, tandis qu’un individu du groupe AB ne possède pas ces anticorps.

📌 Le groupe O est donneur universel car ses hématies ne portent aucun antigène de surface, tandis que le groupe AB est receveur universel car son sang ne possède aucun anticorps anti-A ou anti-B.

Compléments

• Les groupes sanguins O, A, B et AB représentent respectivement 43 %, 45 %, 9 % et 3 % de la répartition indiquée dans le cours, et les gènes A et B sont dominants tandis que le gène O est récessif.

💡 Astuce mémo

O, puis A ou B ; AB cumule les deux.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des protéines globulaires

Protéine	Structure	Fonction principale
Myoglobine	Monomérique, 1 hème	Stockage musculaire de l’O2
Hémoglobine	Tétramère, 4 hèmes	Transport de l’O2 et d’une partie du CO2
Amylase	Enzyme avec domaine de liaison et domaine catalytique	Hydrolyse de l’amidon

Effet du cholestérol sur la fluidité

État initial	Composition lipidique	Effet du cholestérol
Membrane visqueuse	Acides gras saturés	Augmentation de la fluidité
Membrane fluide	Acides gras insaturés	Diminution de la fluidité