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Préparation aux concours

Les polycopiés de la première année des études de santé

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UE 1 : Atomes, biomolécules, génome, bioénergétique, métabolisme Objectifs de l’UE 1 • • • • • •

Acquérir les connaissances de base sur les atomes et sur l'organisation des molécules du vivant Savoir décrire les principales fonctions chimiques utiles à la vie et à la compréhension de l'action des médicaments, à la compréhension des dysfonctions liées à l'environnement. Connaître les principales molécules biologiques (relation structure - fonction) et savoir décrire les principales fonctions utiles à la compréhension du maintien d'équilibres biologiques (physiologie) ou à la compréhension des déséquilibres (exemple de maladies) Connaître les bases moléculaires de l'organisation du génome Appréhender les étapes essentielles de la fonction du génome, de l'expression des gènes Connaître le rôle principal des bio-nutriments et le métabolisme énergétique.


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Sommaire 1.

L’Atome : ..................................................................................................................................... 5 1.

Classification périodique des éléments ................................................................................... 5

2.

Structure du noyau atomique ................................................................................................. 6

3.

Représentation et configuration électronique........................................................................ 6

4. Liaisons entre les atomes et notions d’isomérie (liaisons covalentes et liaisons non covalentes liaisons et orbitales moléculaires effets inductifs résonnance et mésomérie) ............ 9 2.

Thermodynamique et équilibres chimiques :............................................................................ 17 1.

Introduction à la thermodynamique ..................................................................................... 17

2.

Enthalpie................................................................................................................................ 20

3.

Premier et deuxième principe, travail et chaleur.................................................................. 22

4.

Equilibre chimique ................................................................................................................. 27

3.

Description des fonctions chimiques simples : ......................................................................... 29 1.

Nomenclature Fonctions en chimie organique et priorités .................................................. 29

2.

Chaînes hydrocarbonées (Alcanes, Alcènes) ......................................................................... 30

3.

Fonctions hydroxyles et dérivés ............................................................................................ 35

4.

Fonctions amines et dérivés (Amines, Nitriles, Amides) ....................................................... 37

5.

Fonctions aldéhydes ou cétones ........................................................................................... 38

6.

Fonctions acides carboxyliques et dérivés ............................................................................ 40

4.

Principales réactions entre fonctions chimiques en biologie :.................................................. 43 1.

Réactions acide- base ............................................................................................................ 43

2.

Réactions d’oxydoréduction.................................................................................................. 48

3.

Description des principaux mécanismes réactionnels : substitution, addition, élimination 49 •

SN1 : La substitution nucléophile monomoléculaire : ....................................................... 49

SN2 : La substitution nucléophile bimoléculaire : .............................................................. 52

Elimination mononucléaire (E1) : ....................................................................................... 55

Elimination bimoléculaire (E2) ........................................................................................... 58

4. Exemples de réactions de fonctions chimiques des molécules biologiques : alcools, amines, aldéhydes et cétones, carboxyles.................................................................................................. 60 • Les alcools : ........................................................................................................................ 60 Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 2


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5.

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Les amines : ....................................................................................................................... 63

Les aldéhydes : ................................................................................................................ 117

Les cétones : .................................................................................................................... 119

Les carboxyles : ................................................................................................................ 125

Structure, diversité et fonction des biomolécules : ................................................................ 140 1.

Acides aminés et dérivés ..................................................................................................... 140 Structure et propriétés des AA : .............................................................................................. 140 Propriétés et rôle biologique des dérivés d’acides aminés ..................................................... 151 Peptides et protéines : Structure primaire et liaison peptidique............................................ 151 Structures secondaires, tertiaire et quaternaire des protéines .............................................. 153 Propriétés et méthodes d’étude des protéines et des acides aminés .................................... 159 Relation structure-fonction, modifications Co et post-traductionnelles ................................ 166

2.

Enzymes : ............................................................................................................................. 173 Pouvoir catalytique et cinétique des enzymes : ...................................................................... 173 Régulation de l’activité des enzymes ...................................................................................... 178 Les iso enzymes et leur intérêt en biologie ............................................................................. 183 Mesure de l’activité des enzymes ........................................................................................... 183 Coenzymes et vitamines .......................................................................................................... 184

3.

Glucides : ............................................................................................................................. 186 Oses simples ou monosaccharides .......................................................................................... 186 Oses complexes ou polysaccharides ....................................................................................... 190 Glycoprotéines et glycolipides ................................................................................................ 193 Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse ....................................................... 194

4.

Lipides : ................................................................................................................................ 199 Acides gras et dérivés : structure, rôle biologique .................................................................. 199 Glycérides ................................................................................................................................ 204 Stérols et Stéroïdes ................................................................................................................. 213 Lipoprotéines et rôle biologique ............................................................................................. 215

6.

Organisation, évolution et fonction du génome humain : ...................................................... 218

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1.

Structure et métabolisme des nucléotides structure de acides nucléiques ....................... 218

2.

Chromatine et ADN ............................................................................................................. 221

3.

Réplication de l’ADN et mécanismes de réparation............................................................ 233

4.

Mutabilité et dynamique de l’ADN définitions ................................................................... 240

5.

Diversité du génome (allèle et polymorphisme) ................................................................. 241

6.

Transcription et maturation des ARNm .............................................................................. 244

7.

Régulation de l’expression des gènes ................................................................................. 252

8.

Code génétique et traduction ............................................................................................. 257

7.

Bioénergétique : ...................................................................................................................... 263 1.

Énergétique cellulaire et notions de bioénergétique.......................................................... 263

2.

Rôle des nucléotides riches en énergie ............................................................................... 264

3.

Vue d’ensemble du métabolisme........................................................................................ 268

4.

Les oxydations phosphorylantes et le cycle de Krebs ......................................................... 269

5.

Digestion des glucides et glycolyse ..................................................................................... 276

6.

Néoglucogenèse et métabolisme du glycogène.................................................................. 284

7.

Digestion et transport des lipides ....................................................................................... 288

8.

ßoxydation des acides gras.................................................................................................. 291

9.

Biosynthèse des acides gras et cétogénèse ........................................................................ 295

10.

Métabolisme général des acides aminés et cycle de l’urée ............................................ 298

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1. L’Atome : 1. Classification périodique des éléments Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

• • • •

les éléments chimiques sont classés par groupes (colonnes) : o métaux alcalins : groupe IA = très réactifs o métaux alcalino-terreux : groupe IIA = moins réactifs o éléments de transitions : groupe IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIII o élément apparentés aux éléments des groupes IA, IIA : IB et IIB o éléments à sous couches complètes : IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA. o Gaz rares : Groupe O les lignes sont appelées "périodes" Z s'incrémente de 1 de gauche à droite le rayon atomique croit de haut en bas et décroit de gauche à droite Le potentiel d'ionisation croit de gauche à droite et décroit de haut en bas

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2. Structure du noyau atomique • Introduction La matière est formée à partir de grains élémentaires: les atomes. 112 atomes ou éléments ont été découverts et chacun d'eux est désigné par son nom et son symbole. Exemple : Carbone : C ; Azote : N. Les atomes diffèrent par leurs structures et leurs masses, et sont eux même fragmentés en petites particules : les électrons, les protons et les neutrons. En fait, l'atome n'existe pas souvent à l'état libre, il s'associe avec d'autres pour former des molécules. On a des molécules monoatomiques : gaz rares (He, Ne, Ar,…), diatomiques (H2, O2, NaCl,…) et des molécules polyatomiques (H2O, H2SO4,…). • Constitution du noyau atomique Le noyau est formé de particules élémentaires stables appelées nucléons, qui peuvent se présenter sous deux formes à l'état libre, le neutron et le proton. - Les protons sont chargés positivement : qp = +e = 1,602 . 10-19 C - La masse du proton : mp = 1,673 . 10-27 kg ≈ 1836 me - Les neutrons sont de charge nulle, leur masse est : mn = 1,675 . 10-27 kg. Conclusion : Toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. • Les électrons L'atome est un ensemble électriquement neutre comportant une partie centrale, le noyau (protons + neutrons), où est centrée pratiquement toute sa masse, et autour duquel se trouvent des électrons. 3. Représentation et configuration électronique • Les nombres quantiques Nombre quantique principal n Entier : n = 1, 2, 3... Définit l'énergie de l'électron. Définit un niveau d'énergie, une couche électronique. Nombre quantique secondaire (ou azimutal ou orbital) Entier entre 0 et n-1 Définit des sous-couches électroniques (ce nombre définit la forme de l’orbitale) :    

s (de sharp) pour l = 0 p (de principal) pour l = 1 d (de diffuse) pour l = 2 f (de fundamental) pour l = 3

Nombre quantique tertiaire (ou magnétique) m Entier entre -l et +l. Définit l'orientation de l'orbitale atomique Pour l = 0, m = 0, 1 seule orientation, 1 orbitale s, 1 case quantique. Pour l = 1, m = -1 ; 0 ; 1, 3 orientations correspondant aux trois axes d'un système tridimensionnel, 3 orbitales p de même énergie (px, py, pz) 3 cases quantiques Pour l = 2, m = -2 ; -1 ; 0 ; 1 ; 2, 5 orientations Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Nombre quantique de spin s Permet de quantifier le moment cinétique intrinsèque de l'électron (mouvement de rotation sur lui-même). Il définit l'orientation de l'électron dans un champ magnétique Demi-entier, valeur +/- 1/2. • Les orbitales atomiques L'électron n'est pas localisé mais on peut représenter des régions de l'espace où cet électron a une forte probabilité de se trouver : c'est l'orbitale atomique. L'orbitale s est sphérique (l = 0), L'orbitale p (l = 1) est formée de 2 lobes centrés sur un axe commun. Il y a 3 orbitales p (m = -1, 0, +1), px suivant l'axe des x, py suivant l'axe des y et pz suivant l'axe des z, La forme des 5 orbitales d (l = 2) est plus complexe (m = -2, -1, 0, 1, 2): Trois orbitales d comportent 4 lobes dans les plans bissecteurs des quadrants : (dxy, dxz, dyz). Les deux autres orbitales d sont centrées sur les axes : dx2-y2 suivant les axes x et y, dz2 a 2 lobes centrés sur l'axe z et possède un petit volume torique dans le plan xOy.

• La configuration électronique La configuration électronique d'un atome est la répartition de Z électrons de l'atome dans un état fondamental sur les orbitales atomiques. Ce remplissage des orbitales atomiques s'effectue à l'aide des quatre règles générales. Principe d'exclusion de PAULI Dans un atome, deux électrons ne peuvent pas avoir leurs quatre nombres quantiques identiques : Si deux électrons d'un atome occupent la même orbitale (même valeurs de n, l,m), ils diffèrent forcement par le nombre quantique de spin ( l'un de spin +1/2 et l'autre de spin -1/2). Remarque : Une orbitale est définie par les trois nombres n, l et m. Il est commode de représenter les orbitales à l'aide de cases quantiques :

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Pour une couche n, le nombre de cases est n2 et le nombre d'électrons est 2n2. Une case quantique ne peut contenir au maximum que 2 électrons de spins opposés. Principe de stabilité Les électrons occupent les niveaux d'énergie les plus bas dans la limite des places disponibles. Règle de HUND A l'état fondamental, quand les électrons se placent dans une sous-couche multiple (p, d, f), ils occupent le maximum d'orbitales de même énergie avec des électrons célibataires qui ont des spins parallèles (même valeur de s). Règle de KLECHKOVSKI L'ordre des énergies croissantes est l'ordre des valeurs croissantes da la somme (n +l). Si deux sous-couches correspondent à la même valeur de (n + l), la sous-couche, avec la plus petite valeur de n, a l'énergie la plus basse. Les orbitales d'une même sous-couche ont la même énergie. Exceptions : - Groupe du Chrome (Z = 24) - Groupe du Cuivre (Z = 29) Ces exceptions correspondent au demi-remplissage et au remplissage complet de la couche 3d. Elles s’expliquent par le faible écart énergétique entre les orbitales 4s et 3d.

Il faut suivre les flèches pour la confi 1

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4. Liaisons entre les atomes et notions d’isomérie (liaisons covalentes et liaisons non covalentes liaisons et orbitales moléculaires effets inductifs résonnance et mésomérie) • Introduction : La liaison ionique telle qu’elle existe dans les composés minéraux (ex : NaCl) ne permet pas d’expliquer l’établissement de liaisons entre atomes identiques, par exemple H-H, Cl-Cl … Dans de telles liaisons, chaque atome participe également, en terme d’apport électronique, à sa formation. On dit qu’il y a covalence des atomes et création d’une liaison covalente. En fait, une liaison purement covalente ne peut se former qu’entre atomes identiques mais lorsqu’une liaison s’établit entre deux atomes de nature comparable (par exemple, atomes situés dans une même zone de la classification périodique : C, O, N, S, H, Halogènes etc…) il y a formation d’une liaison covalente plus ou moins polarisée. On dit qu’il s’agit d’une liaison covalente à caractère ionique partiel. Cette notion sera expliquée plus en détail dans le chapitre sur l’électronégativité. La notion fondamentale en ce qui concerne les liaisons en chimie organique est donc celle de liaison covalente par opposition aux liaisons ioniques ou métalliques que l’on rencontre en chimie inorganique. Pour décrire cette liaison, deux modèles ont été proposés: le modèle de Lewis, modèle relativement ancien et qui ne permet pas d’expliquer certaines propriétés des molécules organiques, et le modèle orbitalaire. C’est ce dernier modèle que l’on décrira ici.

Forme des orbitales atomiques: Pour un atome isolé, un électron n’a pas de trajectoire ni d’orbite définie; il est situé dans une orbitale atomique. Une orbitale est la portion de l’espace où un électron de type donné a la probabilité maximum de se trouver. La mécanique quantique permet de déterminer mathématiquement la forme des orbitales atomiques et l’énergie des électrons qui l’occupent ; l’expression mathématique s'appelle la fonction d’onde. · L’orbitale atomique s est sphérique et centrée sur le noyau. Elle contient les 2 électrons s. · Les orbitales atomiques p sont au nombre de trois, correspondant aux 6 électrons p; elles ont la forme d’un double lobe centré sur le noyau. Les 3 orbitales p sont disposées suivant les 3 axes orthonormés pour des raisons de symétrie. On dit qu’il y a symétrie trigonale. •

Etablissement des liaisons (orbitales moléculaires) : L’idée de Lewis est conservée : mise en commun de 2 électrons pour former une liaison. L’idée nouvelle est que ces deux électrons vont occuper une portion de l’espace obtenue par un chevauchement ou recouvrement de 2 orbitales atomiques créant ainsi une orbitale moléculaire. Lorsque 2 atomes se rapprochent l’un de l’autre suivant l’axe de leur orbitale atomique, il arrive un moment où ils sont suffisamment proches pour que les deux orbitales se chevauchent: il y a recouvrement axial, fusion des 2 orbitales atomiques et formation d’un nouvel espace : C'est l’orbitale moléculaire dont la forme est définie mathématiquement par la méthode dite LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals). Sans rentrer dans les détails de la théorie on retiendra que l’expression mathématique qui permet de déterminer la forme d’une orbitale moléculaire est une combinaison linéaire des fonctions d’onde des deux orbitales atomiques. •

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Ainsi le recouvrement axial de 2 orbitales s a une forme ellipsoïdale et conduit à la formation d’une orbitale et d'une liaison s. Si les 2 atomes continuent de se rapprocher suivant un de leur axe il arrive un moment ou les orbitales p peuvent se chevaucher latéralement et fusionner. Mettant en commun leur électron de valence dans le nouvel espace ainsi créé, l’orbitale moléculaire p, il se forme une liaison p. Compte tenu de la disposition des orbitales autour du noyau et de leur forme, la liaison p ne peut se créer qu’après formation de la liaison s. On retiendra donc qu’une liaison s est formée par un recouvrement axial d’orbitales atomiques s ou p. Une liaison p est formée par un recouvrement latéral d’orbitales atomiques p. Exemples de recouvrements axiaux :

Exemples de recouvrements latéraux :

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On pourrait de même représenter la triple liaison obtenue par un recouvrement axial et 2 recouvrements latéraux : 1 liaison s + 2 liaisons p ; cas des alcynes, nitriles Conséquences de la nature des recouvrements : Tout d’abord, il faut noter que le nouvel édifice obtenu par formation d’une liaison est plus stable que celui constitué par les atomes pris séparément. Ceci est du aux attractions exercées par les 2 noyaux sur les électrons alors qu’à l’état atomique l’attraction n’était due qu’à un seul noyau. La différence d’énergie entre les 2 états constitue l’énergie de liaison. • Hybridation La théorie d’hybridation permet d’expliquer la géométrie de certaines molécules. Elle donne aussi les valeurs des angles que font entre elles les directions des liaisons dans une molécule olyatomique. Il existe trois types d’hybridation : sp3, sp2 et sp.

Hybridation sp3 : tétragonale Dans la molécule CH4 , Les quatre liaisons C-H sont identiques. Elles font un angle de 109°28’. Une structure tétraédrique régulière a été adoptée avec le carbone au centre de polyèdre et les atomes d’hydrogène aux sommets. Pour expliquer cette forme tétraédrique de CH4 on procède par étape. ère

1 étape 2 2 2 Configuration du carbone à l’état fondamental : 1s 2 s 2 p . On ne considère que les électrons de valence. Le carbone possède 2 électrons célibataires. Il ne peut former que deux liaisons. ème 2 étape 2 1 3 Configuration électronique du carbone à l’état excité : 1s 2 s 2 p . Selon l’état excité : Le carbone présente quatre électrons célibataires. On peut donc expliquer quatre liaisons dont seulement trois sont identiques, ce qui est en désaccord avec l’expérience. ème 3 étape 3 Orbitales hybrides sp . On considère que le carbone dans son état réactionnel possède quatre orbitales hybrides équivalentes qui sont obtenues en mélangeant les orbitales atomiques de base 2s, 2px, 2py et 2pz.

Hybridation sp2 : trigonale Exemple : BF3 C’est une molécule plane. Les trois liaisons B-F sont identiques sur le même plan et font un angle de 120° entre elles. On procède comme précédemment. On considère de la même manière que le bore dans son état réactionnel possède trois orbitales équivalentes contenants chacune un électron. Ces orbitales sont dites hybrides sp2. Elles sont obtenues en combinant 2 orbitales p avec une orbitale s. Le bore dans son état garde une orbitale pz pure.

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Hybridation sp : digonale ou linéaire Exemple : l’acétylène C2H2 La molécule est linéaire. Les deux liaisons C-H sont identiques et font un angle de 180° entre elles. Les orbitales hybrides sp sont obtenues par combinaison linéaire d’une orbitale s avec une orbitales p (px par exemple).

Electronégativité, notion de liaison polaire Aptitude d'un atome, ou d'un groupe d'atomes, d'une entité moléculaire à attirer des électrons de liaison. Des théories différentes ont conduit divers auteurs à proposer des échelles différentes de valeurs relatives de l'électronégativité. •

En chimie, la polarité est une caractéristique décrivant la répartition des charges négatives et positives dans un dipôle. La polarité d'une liaison ou d'une molécule est due à la différence d'électronégativité entre les éléments chimiques qui la composent, des différences de charge qu'elle induit, et à leur répartition dans l'espace. Plus les charges sont réparties de façon asymétrique, plus une liaison ou molécule sera polaire, et a contrario, si les charges sont réparties de façon totalement symétrique, elle sera apolaire, c'est-à-dire non polaire. Polarité d'une liaison : Dans une liaison, le doublet électronique peut ne pas être partagé équitablement entre les deux atomes : l'un des deux atomes peut avoir une force d'attraction sur le nuage électronique plus grande que l'autre. On appelle électronégativité cette capacité pour les atomes à attirer le nuage électronique. Ce partage inéquitable de la charge électronique transforme alors le couple atomique en dipôle. Tout se passe alors comme s'il y avait un transfert électronique partiel de l'atome le moins électronégatif vers l'atome le plus électronégatif. On introduit ce transfert fictif par des charges partielles : à l'atome le plus électronégatif qui attire à lui le doublet électronique, sera attribué une charge partielle négative, notée -δe (δ-), à l'autre une charge partielle positive, notée +δe (δ+) (cette notation a été introduite en 1926 par Christopher Ingold et sa femme). La liaison covalente prend alors un caractère ionique partiel. En fonction de la différence d'électronégativité entre les atomes, la liaison interatomique varie entre deux extrêmes : Lorsque la différence d'électronégativité est très faible, voire nulle, les charges partielles sont nulles (δe=0) et la liaison est complètement apolaire : le doublet électronique est réparti équitablement entre les atomes ; lorsqu'au contraire la différence d'électronégativité est très grande3, les charges partielles deviennent formelles (δe=1), la liaison perd alors de son caractère covalent pour tendre vers une liaison ionique pure : les atomes ne partagent plus un doublet, mais s'ionisent pour prendre une configuration de gaz rare, le moins électronégatif cédant un ou plusieurs électrons au plus électronégatif. Entre ces deux extrêmes (différence d'électronégativité entre 0,4 et 1,7 en échelle de Pauling), la liaison est qualifiée de covalente polaire.

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Polarité d'une molécule : Une molécule est un assemblage chimique constitué d'une ou plusieurs liaisons covalentes résultant de la combinaison des orbitales atomiques des atomes qui la composent. Dans cette molécule, en fonction de la nature et donc de l'électronégativité des atomes qui la composent, peuvent apparaitre des charges partielles. La répartition de ces charges dans l'espace donne son caractère polaire ou non à la molécule. Si le barycentre des charges positives et celui des charges négatives coïncident, la répartition des charges est symétrique dans la molécule et celle-ci est qualifiée d'apolaire. En revanche, si les deux barycentres ne coïncident pas, il y a dans la molécule deux pôles distincts, de charges opposées. La séparation de ces pôles induit un moment dipolaire , dans la molécule, dont la norme est le produit de la distance entre les pôles par la charge. Plus la valeur du moment dipolaire est grande, plus la molécule est polaire.

• Effet électroniques : On note deux types d'effets électroniques, les effets inductifs qui sont liés à la polarisation d'une liaison, et les effets mésomères, qui sont dus à la délocalisation des électrons. Les deux effets peuvent exister ensemble dans une même molécule. Si on doit les comparer, alors on notera qu'un effet mésomère est toujours plus important qu'un effet inductif.

Effets Inductifs : La polarisation de la liaison, induit un déplacement d'électrons le long de la liaison σ c'est l'effet inductif. δ- représente une charge formelle négative et δ+ représente une charge formelle positive. Parmi les effets inductifs, on note les effets inductifs donneurs (notés +I), c'est-à-dire un atome ou un groupe d'atomes qui donne des électrons. Ainsi que les effets inductifs attracteurs (notés -I). Exemple d'effet attracteur (-I) Exemple d'effet donneur (+I)

On notera dans ces deux exemples que la polarité de la liaison carbone-hétéroatome est changée lorsque l'on passe d'un effet donneur à un effet attracteur.

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Comparaison de la force des acides : Pour comparer la force des acides, on regarde la force de la base conjuguée, et plus particulièrement, dans notre cas, la densité électronique sur l'oxygène. Plus la densité est forte, plus la base est forte, plus l'acide conjugué sera faible.

Pour les groupements attracteurs on a : ( NO2 > F > Cl > Br > I ) ce qui signifie que Br est plus attracteur que I, donc pour les bases conjuguées, la densité électronique sur l'oxygène sera plus importante dans le cas de I que dans le cas de Br, ce qui explique le pKa de leurs acides respectif.

Atténuation progressive de l'effet, il ne dépasse pas la 3ème ou 4ème liaison :

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Conclusion : Un atome ou un groupe d'atome (ici COOH) est capable de ressentir les effets inductifs d'un autre atome (ici Cl), si celui-ci n'est pas trop éloigné. Effets Mésomères Les effets mésomères sont dus à la délocalisation des électrons π et n, favorisée par l'électronégativité relative des atomes liés. A nouveau, on note deux types d'effets mésomères. Les effets donneurs d'électrons (+M) et les effets attracteurs d'électrons (-M). Effet Mésomère Donneur + M Classification des quelques groupements mésomères donneurs (classement du plus donneur au moins donneur) :

Effet Mésomère Attracteur - M Exemples de groupements mésomères attracteurs, les formes représentées sont appelées formes limites mésomères. Elles sont utilisées notamment, dans l'écriture des mécanismes réactionnels. La forme énol d'une cétone, est une forme limite mésomère. Lorsque l'on écrit des formes limites mésomères, il faut toujours respecter la neutralité de la molécule. Pour une molécule de départ, qui est neutre, toutes les formes mésomères doivent être globalement neutre (autant de charges plus que de charges moins).

Transmission de l'effet mésomère assuré par conjugaison : L'écriture de ces formes mésomères permet de mieux comprendre ou iront agir un électrophile et un nucléophile.

En effet, un nucléophile, espèce riche en électrons, ira réagir sur les positions pauvres en électrons c'est-à-dire la ou l'on a des charges positives. Formes limites mésomère du benzène : L'écriture de ces formes limites permet de mieux comprendre les règles de régiosélectivité lors des substitutions électrophiles aromatiques.

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Explication, par les formes limites mésomères, des positions ortho et para pour l'attaque d'un électrophile sur le phénol. On constante qu'une charge négative apparait en ortho et para du phénol, c'est donc les positions susceptibles de recevoir un électrophile :

De même, on peut expliquer la substitution électrophile aromatique en position méta sur le nitrobenzène. En effet, dans ce cas, c'est une charge positive qui est délocalisé sur le cycle aromatique. Cette charge se retrouve en position ortho et para. Dans ces conditions, un électrophile ne peut venir s'additionner sur le cycle en position ortho et para et seuls les positions méta sont "plus nucléophile" et donc plus apte à recevoir l'électrophile.

Résonance et mésomérie : La mésomérie est une façon qui permet de décrire le déplacement de certains électrons sur une molécule. Elle concerne : - les électrons π - les doublets d'électrons libres - les charges. On indique le passage d'une forme mésomère à une autre par une flèche à double sens (↔). Les flèches courbes indiquent le sens de déplacement des doublets d'électrons.

Les mouvements électroniques sont induits grâce à un phénomène dit de conjugaison ou de résonance entraînant une stabilisation de la molécule. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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2. Thermodynamique et équilibres chimiques : 1. Introduction à la thermodynamique • Notion de systèmes et de signe en thermodynamique Le système : On appelle système la somme de toute les espèces chimiques présentes dans une enceinte et qui réagiront ou non entres elles. On distingue trois types de systèmes, en relation ou non avec le milieu extérieur: Ouvert : on y observe des échanges de matière et d'énergie avec le milieu extérieur. Fermé : on observe seulement un échange d'énergie. Isolé : Aucun échange n'est possible avec le milieu extérieur Le signe : Système et M.E. peuvent échanger de l'énergie et il est possible d'attribuer un signe à la valeur de l'énergie échangée entre système et ME. On attribue une valeur positive à l'énergie échangée entre le système et le ME, dès qu'on observe un gain d'énergie du système aux dépens du M.E. Dès qu'un système reçoit de la chaleur du M.E., l'échange est qualifié d'endothermique. On attribue une valeur négative à l'énergie échangée entre le système et le ME, dès qu'on observe une perte d'énergie du système aux dépens du M.E. Dès qu'un système donne de la chaleur au M.E. l'échange est qualifié d'exothermique.

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• Thermodynamique chimique : premier principe Dans un système isolé la somme de toutes les énergies de celui ci est constante. L'énergie pouvant alors être convertie en une autre forme mais ne pouvant être ni détruite, ni créée Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme Lavoisier On définira l'énergie interne du système (S) que l'on notera U qui est la somme de toutes les énergies de celui-ci dans un état donné. Etat standard : On définira pour un corps pur un état standard où à 298 kelvin et 1 bar = 100 000 Pa, il sera sous sa forme la plus stable. Cycle de Hess : Enthalpie de formation : Lors de la formation d'une mole d'un composé à partir de corps pur, la variation d'enthalpie qui l'accompagne est appelé enthalpie de formation. Si la réaction se fait dans des conditions standards, on parlera d'enthalpie standard de formation ΔfH° Par convention, dans leurs formes stables, l'enthalpie standard de formation des corps purs est égale à0 Ainsi on pourra donc déterminer à l'aide des enthalpies standards de formation l'enthalpie standard de réaction. Avec une réaction générale : AB + CD → AC + BD on aura : ΔrH° = ΔfH°(AC) + ΔfH°(BD) - ( ΔfH°AB + ΔfH°(CD) ) On aura donc en général : ΔrH° = ΔfH°produit - ΔfH°réactifs Liaison et énergie : L'enthalpie standard de la réaction de dissociation d'une molécule A-B à l'état gazeux est appelée énergie de liaison covalente de la molécule A-B. Et via un cycle de Hess, l'enthalpie de réaction est accessible. Dans le cas d'un cycle : cyclohexatriène → cyclohexane on aura : ΔrH° = -EC=C + 3EC-C + 6EC-H - 3EH-H De plus on appellera énergie de résonance la différence ΔrH°exp - ΔrH°calc

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Thermodynamique chimique : second principe :

On observe peu de réactions qui évoluent dans les deux sens, cela s'explique par le fait que les réactions vont spontanément dans le sens du désordre ! De là on peut donc introduire le second principe de la thermodynamique qui est l'entropie : Tout système tend à évoluer spontanément vers un état de désordre, l'entropie est la forme d'énergie liée à ce désordre. On remarque ainsi que : •

dans une réaction irréversible, réaction qui n'évoluera donc que dans un sens, l'évolution vers le "désordre" ira en augmentant, donc l'entropie (énergie liée au désordre ) augmentera elle aussi dans une réaction réversible, réaction qui évoluera dans les deux sens (et tendra donc vers un état d'équilibre, par exemple de l'auto protolyse de l'eau 2H2O --> H3O+ + HO-), cette augmentation vers le désordre n'aura donc pas lieu et donc l'entropie restera constante

Ainsi en associant les premier et second principes : • •

La formation d'une mole d'un corps pur est accompagnée d'une variation d'enthalpie appelée enthalpie de formation; La plupart des réactions ont tendance à évoluer vers une augmentation du désordre, désordre qui a une forme d'énergie qui lui est liée : l'entropie

il est possible de définir la notion d'enthalpie libre

ΔrG = ΔrH - TΔrS

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2. Enthalpie Définition : Considérons une transformation isobare au cours de laquelle le système passe d’un état A à un état B d’équilibres en échangeant de la chaleur l’intermédiaire des forces de pression

et du travail uniquement par

.

Le premier principe permet d’écrire : U étant la fonction d'état énergie interne À pression constante le travail des forces de pression est égal à : Donc D'où : On définit ainsi une nouvelle fonction d’état, la fonction enthalpie

Il s'ensuit que : Par conséquent, à pression constante, la chaleur mise en jeu, qui n’est pas une fonction d’état puisque c'est un transfert d'énergie entre le système et le milieu extérieur, devient égale à la variation de la fonction d’état enthalpie H. La variation de cette fonction ne dépend que de l’état final et de l’état initial du système et est indépendante du chemin suivi par la transformation. C’est tout l’intérêt de l’application de la fonction enthalpie dans les cas très courants de transformations effectuées à l’air libre, à pression atmosphérique constante. Cette propriété est à la base de la calorimétrie à pression constante. Par abus de langage on confond souvent les termes chaleur et enthalpie. Propriétés : L'enthalpie a la dimension d'une énergie, et s'exprime en joules dans le Système International. La propriété mathématique induite pour toute fonction d'état implique que sa différentielle est totale exacte c'est-à-dire qu'elle est égale à la somme des différentielles partielles par rapport à chaque variable.

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Différentielle de l'enthalpie :

Appliquons le premier principe

Appliquons le second principe si la transformation est réversible. d'où

Application de l'enthalpie aux réactions chimiques effectuées à T et p constantes : Dans le cas d'une réaction chimique effectuée à T et p constantes, il a été défini une grandeur de réaction appelée enthalpie de réaction, associée à l'équation bilan de la réaction: . Cette grandeur de réaction permet d'avoir accès à la chaleur mise en jeu au cours de cette réaction. Le calcul de cette grandeur peut être effectué grâce aux valeurs de l'enthalpie standard de formation de chaque constituant intervenant dans la réaction: . Les valeurs ont été consignées dans des tables thermodynamiques, établies à la température de référence de 298K.

Exemple de relation entre enthalpie standard de formation et enthalpie de réaction: combustion d'un alcane : Calcul de l'enthalpie de combustion du méthane à 298K sous la pression standard:

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Les polycopiés de la première année des études de santé La loi de Hess permet d'écrire:

L'enthalpie standard de formation du dioxygène est nulle car c'est un corps pur simple stable dans les conditions choisies (voir enthalpie standard de formation). Le calcul de cette enthalpie de combustion permet la détermination de la chaleur de réaction ( voir enthalpie de réaction). Inversement, si l'on mesure cette chaleur à l'aide d'une bombe calorimétrique, on peut avoir accès à l'enthalpie standard de formation du méthane. État standard : État standard (conditions standards) : état de référence pour réactifs et produits : corps pur à p0= 1 bar ; T = cte ; C0 = 1 mol.L-1 pour un soluté. État standard de référence : état physique le plus stable à p0 = 1 bar et T = cte. 3. Premier et deuxième principe, travail et chaleur Premier principe de la thermodynamique Le premier principe de la thermodynamique indique qu’il y a conservation de l’énergie et dans ce cas si l’énergie interne du système varie c’est qu’il y a échange d’énergie avec le milieu extérieur soit •

sous forme de travail soit sous forme de chaleur . On suppose bien évidemment que le système est fermé et donc qu'il n'y a pas d'échange de matière. On peut écrire : Cette expression est la plus utilisée pour résumer l'énoncé du premier principe de la thermodynamique. Si le système est isolé c’est-à-dire s'il n'y a aucun échange avec le milieu extérieur, : L’énergie interne reste constante. Si la transformation est cyclique, le système revient à son état initial et comme l'énergie interne est une fonction d'état, : l'énergie interne reste constante et

.

Si le volume est constant (transformation isochore) et si le travail mis en jeu n'est dû qu'aux forces de pression, alors le travail est nul. D'où : . Dans ces conditions la chaleur mise en jeu devient égale à la variation de la fonction d'état et ne dépend plus du chemin suivi. Cette propriété est à la base de la calorimétrie à volume constant pratiquée dans une bombe calorimétrique.

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Température et chaleur Notion de chaleur C’est un transfert thermique, appelé plus communément chaleur. C’est un transfert d'énergie microscopique désordonnée. Cela correspond en réalité à un transfert d'agitation thermique entre particules, au gré des chocs aléatoires qui se produisent à l'échelle microscopique. L'exemple le plus courant de situation mettant en jeu un transfert thermique est le système constitué de deux corps en contact et ayant des températures différentes. Le corps le plus chaud cède de l'énergie sous forme de chaleur au corps le plus froid. Il y a transfert thermique entre les deux corps. Il peut se produire des transferts thermiques vers un système dont la température reste constante, par exemple dans le cas d'un changement d'état physique. •

Chaleur = grandeur physique elle est donc mesurable. Pour calculer la quantité d'énergie thermique transférée (Q) dans le cas d'un corps en phase condensée (liquide ou solide), il faut multiplier la masse du corps (m) par sa capacité thermique massique (c) et par la variation de température entre la température initiale et finale du corps (ΔT). Soit:

Q représente alors le transfert d'énergie thermique du corps considéré. Dans le système international d'unité, la capacité thermique massique s'exprime en kilojoule par kilogramme (kJ/kg), la masse du corps s'exprime en kilogramme, la variation de température s'exprime en degré Celsius (°C) ou en kelvins (K).

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Signe de la chaleur (Q) et énergie interne (U) En thermodynamique, la chaleur reçue par un système (corps ou ensemble de corps isolés par la pensée du milieu environnant) sera comptée positivement, une chaleur cédée sera comptée négativement (convention égoïste). On appelle "énergie interne" U l'énergie thermique totale que peut fournir un corps immobile (absence d'énergie potentielle et d'énergie cinétique macroscopique) sans qu'il se désagrège 1 ou sans perdre de matière, c'est à dire ne perdant d'énergie que sous forme de chaleur (sa température tombant néanmoins à 0 K s'il a perdu U). S'il y a variation d'énergie interne ΔU, c'est que le corps a reçu ou perdu de l'énergie (sous forme de chaleur par exemple, mais cela ne sera pas obligatoire). Chaleur latente La relation Q = M.C.ΔT n'est cependant pas générale : en effet, on a vu qu'en plaçant un métal chaud dans un bain d'eau - glace, ce bain recevait une quantité de chaleur Q qui servait à faire fondre la glace et non à faire augmenter la température : Q ≠ 0 or ΔT = 0 : la relation précédente est donc mise en défaut. En fait dans l'expérience précédente la chaleur reçue par la glace a servi à créer un changement de phase solide (glace) → liquide (eau) et non à augmenter la température de la glace : cette chaleur est appelée chaleur latente. Cette chaleur est une chaleur que doit perdre ou gagner le corps pour changer de phase et non pour augmenter sa température. Pour faire fondre M = 1 kg de glace (à 0°C) il faudra apporter la chaleur Q = 352.103 × M. le chiffre 352.103 s'appelle "chaleur latente de fusion" (sous - entendu "massique") de la glace et on la note Lf. Il faut également comprendre que la chaleur que nécessite un changement de phase est très élevée par rapport aux chaleurs nécessaires pour élever les températures. Travail et diagrammes P(V) Notion de travail Le travail est une autre forme d'énergie que la chaleur, c'est l'énergie qui intervient dès qu'il y a mouvement ou déformation d'un corps. Comme cette énergie provoque le déplacement du corps, on dit qu'il s'agit d'un travail qu'on note W : le travail est une énergie mécanique. •

Travail de la force de pression La pression d'un gaz sera à l'origine du travail effectué par le gaz, ce qui aboutira au déplacement d'un piston (moteurs thermiques). N'oublions pas que les gaz sont des systèmes dont le volume varie beaucoup en fonction des échanges de chaleur. Affinons cette notion de travail : supposons avoir un cylindre muni d'un piston et rempli de gaz. Appliquons une pression Pext sur le piston. Voir ½ page de droite : dans ce cas, en admettant que le déplacement est suffisamment lent pour avoir la pression P du gaz égale à la pression Pext (on est dans le cadre d'une transformation quasi - statique, on démontre assez facilement (voir 1/2 page de droite) que le travail (énergie) reçu par le gaz au cours de la transformation 1 o 2 vaut :

1

E = M×C² est l'énergie totale que peut céder un corps, mais au prix de sa désintégration (perte de masse) : réaction nucléaire.

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Diagramme P(V) Clapeyron

Le diagramme de Clapeyron est une représentation où on indique la pression d'un système thermodynamique en fonction de son volume massique (en Physique), ou de son volume molaire (en Chimie) pour suivre l'évolution d'une transformation. Il n'est possible de tracer un tel diagramme que lorsque la pression est définie dans le système, c’est-à-dire dans une transformation quasi-statique. Il est en général très proche du diagramme de Watt dans lequel on représente la pression d'un système thermodynamique en fonction de son volume. Pour certains systèmes cependant (systèmes ouverts en particulier), ils donnent des graphes différents. L'étude de ces diagrammes permet une approche quantitative du comportement d'une machine : si une série de transformation forme un cycle thermodynamique, le sens de parcours du cycle dans le diagramme de Clapeyron correspond au signe du travail massique reçu par le système : • si le parcours est effectué dans le sens horaire, le travail reçu est négatif : le cycle est moteur ; • si le parcours est anti-horaire, le travail reçu est positif : le cycle est récepteur. En particulier, l'aire du cycle correspond au travail (massique) reçu (au signe près) au cours d'un cycle.

Chaleur, travail et énergie interne des gaz parfaits Le gaz parfait (ou gaz "simplifié") Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz réels à basse pression. L'équation la plus couramment utilisée est l'équation des gaz parfaits. pV = nRT •

Energie interne U d’un G.P. (1ère loi de Joule) Les variations ∆ U et ∆ H pour une transformation adiabatique (T = cte) sont nulles ∆ U = 0 et ∆H=0. Transformations réversibles. 2nd principe de la thermodynamique Ennoncé du deuxième principe : Le deuxième principe de la thermodynamique (également connu sous le nom de deuxième loi de la thermodynamique ou principe de Carnot) établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Le second principe introduit la fonction d'état entropie : S, usuellement assimilée à la notion de désordre qui ne peut que croître au cours d'une transformation réelle. •

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Transformation réversible : Une transformation est dite quasi-statique ou réversible si tous les états intermédiaires du système thermodynamique au cours de la transformation sont des états définis, proches d'états d'équilibres. Cela implique que le déséquilibre des variables d'état, responsable de la transformation, soit infiniment petit. Pour qu'une transformation soit quasistatique il faut donc qu'elle soit très lente, pour que l'on puisse considérer qu'elle est constituée d'une succession d'états d'équilibres. C’est une transformation lente comme le fait de tirer sur un élastique, l’élastique retrouve sa position finale. Transformation irréversible : Les transformations réelles sont irréversibles à cause notamment de phénomènes dissipatifs. Le système ne peut pas « revenir en arrière » de façon spontanée. En thermodynamique ceci est formalisée dans le cadre du second principe par un terme de création d'entropie qui caractérise le fait que le désordre global (système + environnement) augmente ou bien encore qu'une partie de l'information sur le système a été perdue. C’est une transformation violente comme par exemple un verre qui se brise. Le retour à l’état initial est impossible. Les transformations réelles sont irréversibles à cause de phénomènes dissipatifs. Le système ne peut jamais spontanément revenir en arrière. L’énergie perdue par le système sous forme de chaleur contribue à l’augmentation du désordre global. Or le désordre est mesuré par une fonction d’état appelée entropie : S, introduite par le deuxième principe de la thermodynamique. Alors que le premier principe est un principe de conservation de l’énergie, le deuxième principe est un principe d’évolution. Il stipule que toute transformation réelle s’effectue avec augmentation du désordre global (système + milieu extérieur) ; le désordre étant mesuré par l’entropie. On dit encore qu’il y a création d’entropie. L’expression moderne du deuxième principe formalise cette création d’entropie : Dans le cas de la transformation idéale réversible, il n’y a pas de création d’entropie : .

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4. Equilibre chimique Le Quotient de réaction Soit une transformation à laquelle est associée la réaction d'équation : a A + b B = c C + d D, le quotient de réaction est alors : Qr = [C]c [D]d / ([A]a [B]b). Le quotient de réaction permet de caractériser l'état d'avancement d'une réaction, et ainsi de prévoir son évolution. C'est la valeur prise par l'expression de la constante d'équilibre lorsque le système réactionnel est hors équilibre. •

Constante d’équilibre et le quotient de réaction La constante d'équilibre K associée à l'équation d'une réaction est la valeur que prend le quotient de réaction dans l'état d'équilibre du système Qréq. •

Equilibre de dissociation (Constante d’équilibre particulière) La constante de dissociation est la constante de réaction associée à la dissociation d'un composé chimique. Si un composé de formule Ax By se dissocie selon la réaction Ax  By ↔ xA + yB alors la constante de dissociation Kd est •

on définit aussi le pKd comme étant pKd = -log(Kd). Cas de l'eau : La constante de dissociation de l'eau, notée Ke (Kw en anglais), est la constante de réaction associée à la réaction chimique d'autoprotolyse de l'eau : 2 H2O = H3O+ + OH-. Les produits de cette réaction sont les ions oxonium (anciennement appelé ion hydronium) et hydroxyde. À l'équilibre, et pour des solutions diluées, le Ke est égal au produit des concentrations en ions oxonium et hydroxyde. Dans les conditions normales de température et de pression : Ke = [H3O+]×[OH-] = 10-14 et pKe = -log(Ke) = 14 La réaction de dissociation de l'eau est naturelle et spontanée ; l'eau dans sa forme moléculaire est ainsi toujours associée aux ions oxonium et hydroxyde. Constante de dissolution (Constante d’équilibre particulière) Le Ks mesure la solubilisation des sels dans un solvant donné. Si dans le solvant donné, le sel AB se décompose selon l'équation •

alors le produit de solubilité Ks est défini par : (valeurs à saturation, c'est-à-dire à l'équilibre entre sel précipité et sel dissous). Plus Ks est grand, plus le sel étudié est soluble dans le solvant.

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Constante d'équilibre thermodynamique Constante de pression (Kp) La constante d'équilibre relative aux pressions s'exprime en fonction des •

[

]. L’unité de Kp est le bar

pressions partielles. Kp (T) = p(C)c p(D)d / p(A)ap(B)b

c+d-a-b

.

Constante secondaire d'équilibre relative aux concentrations molaires (Kc) KC =

[C] c [D] d [A] a [B] b

Relation entre Kp et Kc Kp = Kc RT c+d-a-b •

Equilibre chimique et enthalpie libre

L'enthalpie libre standard :

d’une réaction chimique effectuée à température (T) et

pression (P) constantes, est reliée à la constante d'équilibre

par la relation :

où R est la constante des gaz parfaits et T est la température absolue (en kelvin). D'où

La constante d'équilibre est donc une grandeur thermodynamique (elle caractérise l'équilibre du système), et n'a pas d'incidence sur la cinétique (vitesse de réaction) de ce système.

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3. Description des fonctions chimiques simples : 1. Nomenclature Fonctions en chimie organique et priorités Classification par priorité décroissante Fonction Acide carboxylique Sel d'acide Halogénure d'acyle Nitrile Aldéhyde Cétone Alcool Amine Halogène

Si prioritaire -> suffixe -oïque -oate -oyle -nitrile -al -n°-one -n°-ol -n°-amine -ure

Si non prioritaire -> préfixe -n°-carboxy... -n°-acyloxy... -n°-halogénoformyle -n°-cyano... -n°-formyl... -n°-oxo... -n°-hydroxy... -n°-amino... -n°-halogéno...

Fonctions organiques toujours signalées en préfixe Fonction Préfixe -Br bromo -Cl chloro -N=Ndiazo CH3CH2O- éthoxy -F fluoro -I iodo CH3Ométhoxy -NO2 nitro -NO nitroso

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2. Chaînes hydrocarbonées (Alcanes, Alcènes) • Diversité des chaînes carbonées Définition : On appelle chaîne carbonée ou squelette carboné l'enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique. C'est donc ce qu'il reste d'une molécule organique lorsqu'on l'a dépouillée de tout autre atome que ceux de carbone. Représentations des molécules : A. La formule brute Du type CxHyOz (il peut y avoir d'autres éléments), elle nous renseigne sur la nature et le nombre des atomes constitutifs. Par exemple l'éthanol a pour formule brute C2H6O. B. La formule développée plane Elle fait apparaître tous les atomes dans le même plan et toutes les liaisons entre ces atomes. Les angles entre les liaisons sont de 90°, exceptionnellement de 120° pour des raisons de clarté, ce qui ne représente pas la réalité géométrique de la molécule. C. La formule semi-développée (plane) Elle dérive de la précédente par suppression des liaisons mettant en jeu l'hydrogène (C—H; C—O; C—N;...). D. La formule de Lewis (ou représentation de Lewis) Elle est du même type que la formule développée plane à laquelle on ajoute les doublets non liants. E. La formule (ou représentation topologique) La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée. Chaque extrémité de segment représente un atome de carbone portant autant d'atomes d'hydrogène qu'il est nécessaire pour satisfaire à la règle de l'octet. Les atomes autres que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d'hydrogène qu'ils portent. 3. Les trois types de chaîne carbonées. A. Chaîne linéaire

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B. Chaîne cyclique

C. Chaîne ramifiée Remarque: La chaîne carbonée est dite saturée si elle ne présente que des liaisons simples C—C. Elle est dite insaturée si elle présente au moins une liaison multiple entre deux atomes de carbone. II. Nomenclature des alcanes et Isomérie. 1. Nomenclature. Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. Cela signifie qu'ils ne sont constitués que d'atomes de carbone et d'hydrogène liés entre eux que par des liaisons simples C—C et C—H (pas d'insaturation). Leur formule brute générique est de la forme: CnH2n+2 Cette nomenclature doit être maîtrisée car elle est à la base de toute la nomenclature systématique en chimie organique. 1.1 Noms des alcanes à chaîne linéaire. Les quatre premiers alcanes portent des noms consacrés par l'usage (voir ci-dessous). Les noms des suivants s'obtiennent en ajoutant la terminaison ane à un préfixe d'origine grecque indiquant le nombre d'atomes de carbone. CH4

méthane

CH3—CH3

éthane

CH3—CH2—CH3

propane

CH3—CH2—CH2—CH3 butane Par exemple l'alcane linéaire de formule C5H12 est le pentane et l'alcane linéaire de formule C6H14 est l'hexane.

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Noms des alcanes à chaînes ramifiées :

Les groupes alkyle.

En enlevant un atome d'hydrogène à un alcane on obtient un groupe d'atomes appelé: groupe alkyle. On obtient le nom du groupe alkyle en remplaçant la terminaison ane de l'alcane par la terminaison yle Noms des alcanes ramifiés.

Pour nommer un alcane à chaîne ramifiée, on fait précéder le nom de l'alcane linéaire correspondant à la chaîne la plus longue (chaîne principale) du nom du groupe alkyle correspondant à la ramification en élidant (supprimant) le e final du groupe alkyle. On place devant ce nom, en le séparant par un tiret, un nombre indiquant la position du groupe sur la chaîne principale. Les atomes de carbone de cette chaîne sont numérotés à partir de l'une de ses extrémités, de telle façon que l'indice de position du groupe alkyle soit le plus petit possible. Si la chaîne principale porte plusieurs groupes alkyle, on indique leur nom par ordre alphabétique. Lorsque plusieurs groupes alkyle sont identiques, on utilise les préfixes di, tri, tétra.. Pour déterminer le sens de numérotation des atomes de carbone de la chaîne principale, on écrit par ordre croissant (sans se préoccuper de l'ordre alphabétique) les indices de position des groupes alkyle en partant successivement des deux extrémités de la chaîne principale. On obtient deux nombres. On retient la numérotation de la chaîne qui conduit au plus petit de ces deux nombres.

Groupes alkyle

Position dans Position dans la numérotation numérotation verte rouge

2 groupes méthyle 2,2 1 groupe 3 éthyle nombre 223

la

4,4 3

obtenu: nombre 344

obtenu:

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Le nom de la molécule est donc: 3-éthyl-2,2-diméthylpentane. •

Isomérie :

Définitions : Deux corps isomères sont des composés qui ont la même formule brute mais des structures différentes. Des isomères de constitution ont la même formule brute mais des formules développées planes (ou semi-développées) différentes.

Isomérie Z–E : Molécules concernées: Cette isomérie concerne certaines molécules de dérivés éthyléniques, c'est-àdire des molécules présentant non seulement au moins une double liaison entre deux atomes de carbone mais aussi une structure du type: AHC=CHB (les groupes A et B pouvant éventuellement être identiques). Exemple (voir ci-contre): La terminaison ane des alcanes est remplacée par la terminaison ène des alcènes. On précise le numéro (placé entre tirets) de l'atome de carbone de plus petit indice portant la double liaison, et on indique par les lettres Z ou E ( placées entre parenthèses devant le nom et séparée par un tiret) si les atomes d'hydrogène situés aux extrémités de la liaison C=C sont situés respectivement du même côté ou de part et d'autre de l'axe C=C. Remarque: Les dérivés éthyléniques donnent aussi lieu à une isomérie de position. C'est une isomérie de constitution qui n'est pas une isomérie de chaîne. Elle est due à la possibilité de rencontrer la double liaison C=C en différents endroits de la chaîne carbonée. Exemple:

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Influence de la chaîne carbonée sur quelques propriétés physiques :

Notion de groupe caractéristique : Mise à part la chaîne carbonée, les molécules organiques peuvent présenter un ou plusieurs groupe(s) d'atomes autres que C et H. Si un ou plusieurs de ces atomes ont une électronégativité supérieure à celle du carbone, ce (ou ces) groupe(s) d'atomes confère(ent) à la molécule des propriétés chimiques et physiques particulières. Ces groupes d'atomes sont appelés: groupes caractéristiques. Par exemple: —OH, —NH2, —COOH ou éventuellement des atomes seuls tels que =O ou —Cl. Des molécules qui possèdent le même groupe (ou les mêmes groupes) caractéristique(s) présentent des propriétés chimiques semblables. On dit qu'elles forment une famille chimique. (famille des alcools, des amines, des acides aminés,...). Température d'ébullition : La température d'ébullition croît avec le nombre d'atomes de carbone au sein d'une famille chimique. Densité des alcanes liquides : Les alcanes liquide (à partir du pentane) ont une densité par rapport à l'eau plus petite que 1. Cette densité croît avec le nombre d'atomes de carbone Solubilité : Les hydrocarbures sont insolubles dans l'eau comme dans tous les solvants polaires en général car ils sont apolaires. Si la chaîne carbonée porte un groupe caractéristique à caractère polaire (—OH, — NH2, —COOH ...) les molécules présentent une certaine solubilité dans l'eau (ou dans les solvants polaires). Cette solubilité diminue avec le nombre d'atomes de carbone.

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3. Fonctions hydroxyles et dérivés En chimie organique, un alcool est un composé organique dont l'un des carbones (celui-ci étant tétragonal) est lié à un groupement hydroxyle (-OH). L'éthanol (ou alcool éthylique) entrant dans la composition des boissons alcoolisées est un cas particulier d'alcool, mais tous les alcools ne sont pas propres à la consommation. En particulier, le méthanol est toxique et mortel à haute dose. Classification des alcools : De manière générique, un alcool contient donc la séquence R – OH où R est un radical organique variable, souvent un alkyle. Selon la nature du carbone portant le groupement alcool, on distingue : Les alcools primaires, dont le carbone comportant le groupement hydroxyle est lié à au moins deux atomes d’hydrogène et un radical organique R : Les alcools secondaires, dont le carbone comportant le groupement hydroxyle est lié à un atome d’hydrogène et deux radicaux organiques R et R' :

Les alcools tertiaires, dont le carbone comportant le groupement hydroxyle est lié à trois radicaux organiques R, R' et R" :

Les phénols, sont parfois considérés comme des alcools particuliers dont le groupement hydroxyle est lié à un carbone d’un cycle benzénique. Leur réactivité étant tellement différente de celle des autres alcools (ici le carbone portant le groupement -OH n'est pas tétragonal), les phénols sont généralement classés en dehors de la famille des alcools.

Il existe aussi un groupe considéré parfois comme un cas particulier d’alcools appelés énols. Il s’agit d’une molécule dans laquelle la fonction hydroxyle est attachée sur un carbone d'une double liaison C=C (ici encore le carbone portant le groupement -OH n'est pas tétragonal). Il s’agit en fait d'une forme tautomère d’un aldéhyde ou d’une cétone. La forme majoritaire est généralement l'aldéhyde Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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ou la cétone, et non l'énol, sauf cas particuliers où la forme énol est stabilisé par mésomérie comme par exemple les phénols.

Nomenclature : Lorsque l'alcool est la fonction principale, il suffit de remplacer le suffixe -e de l'alcane correspondant par le suffixe -ol et d'indiquer le numéro de l'atome de carbone où le groupe hydroxyle est fixé, bien que, parfois, lorsqu'elle n'est pas nécessaire à la description, cette dernière information soit omise. Si elle n'est pas la fonction principale, il faut ajouter le préfixe hydroxy- précédé du numéro de l'atome de carbone où le groupe est fixé. Pour la base conjuguée de l'alcool, l'ion alcoolate, il suffit de remplacer le suffixe -e par le suffixe olate.(ne pas confondre avec le suffixe "-oate" caractéristique du carboxylate, base conjuguée de l'acide carboxylique.) Exemples: éthan-1-ol:

butan-2-ol:

acide 3-hydroxy-propanoïque:

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4. Fonctions amines et dérivés (Amines, Nitriles, Amides) • Les Amines : Une amine est un composé organique dérivé de l'ammoniac dont certains hydrogènes ont été remplacés par un groupement carboné. Si l'un des carbones liés à l'atome d'azote fait partie d'un groupement carbonyle, la molécule appartient à la famille des amides. Découvertes en 1849, par Wurtz les amines furent initialement appelées alcaloïdes artificiels. On parle d'amine primaire, secondaire ou tertiaire selon que l'on a un, deux ou trois hydrogènes substitués. Amine primaire

Amine secondaire Amine tertiaire

Exemple, la triméthylamine est une amine tertiaire, de formule N(CH3)3.

Nomenclature : Si le groupement amine est prioritaire, la molécule comprend le suffixe -amine. Sinon, elle possède le préfixe amino-. • Les Nitriles : Le groupement nitrile correspond à ≡N (-C≡N est le groupe cyano ou carbonitrile1) et les règles IUPAC de dénomination des nitriles2 sont claires : par exemple, CH3-C≡N est l'acétonitrile ou éthanenitrile ou cyanométhane CH3CH2-C≡N est le propanenitrile ou le cyanoéthane CH2=CH-C≡N est l'acrylonitrile ou 2-propènenitrile ou cyanoéthène C6H5-C≡N est le benzonitrile (pas phénonitrile) ou cyanobenzène Les nitriles font partie de la famille des dérivés d'acides carboxyliques.

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• Les Amides : Un amide est un composé organique dérivé d'un acide carboxylique. Un amide possède un atome d'azote lié sur son groupement carbonyle. Les amides sont un groupe important dans la biochimie, parce qu'ils sont en partie responsables de la liaison peptidique entre les différents acides aminés qui forment les protéines.

5. Fonctions aldéhydes ou cétones • Les aldéhydes : Définition : Un aldéhyde est un composé organique, faisant partie de la famille des composés carbonylés, dont l'un des atomes de carbone primaire (relié au plus à 1 atome de carbone) de la chaîne carbonée porte un groupement carbonyle. Un aldéhyde contient donc la séquence :

où R représente une chaîne carbonée. L'aldéhyde le plus simple est le formaldéhyde (ou méthanal), aussi appelé formol lorsqu'il est en

solution aqueuse. Un aldéhyde dérive formellement d'un alcool primaire (oxydation) dont le groupement hydroxyde OH est en bout de chaîne et se forme suite à l'enlèvement de deux atomes H d'où le nom « alcool déshydrogéné » ou aldéhyde.

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Nomenclature : L'aldéhyde aura le nom de l'alcane correspondant, auquel on ajoute le suffixe « -al ». Pour le reste, les règles sont les mêmes que celles énoncées pour les alcènes. Quand l'aldéhyde constitue le groupe fonctionnel prioritaire de la molécule, il n'est pas nécessaire de lui attribuer un indice de position, car il est toujours en position terminale (1). CH3 - COH : éthanal CH3 - CH(CH3) - CH2 - COH : 3-méthylbutanal Quand l'aldéhyde est un substituant sur un composé cyclique comme le benzène, il porte alors le nom de carbaldéhyde ou carboxaldéhyde qui sont deux termes équivalents. Par exemple, le composé suivant peut se nommer benzènecarbaldéhyde ou benzènecarboxaldéhyde (le nom courant benzaldéhyde est également accepté) : C6H5 - COH Quand le groupe aldéhyde n'est pas prioritaire, on lui attribue un préfixe de la forme alcanoyle. Par exemple, le composé suivant se nomme acide éthanoylbenzènesulfonique : HOC - CH2 - C6H5 - SO3H Principaux aldéhydes Méthanal Éthanal Propanal Butanal Pentanal CH2O

C2H4O

C3H6O

C4H8O

C5H10O

• Les cétones : Définition : Une Cétone est un composé organique, faisant partie de la famille des composés carbonylés, dont l'un des carbones porte un groupement carbonyle. Les aldéhydes ont un carbone primaire et les cétones un carbone secondaire (lié à exactement 2 atomes de carbones voisins) qui porte le groupement carbonyle. Une cétone contient donc la séquence : où R1 et R2 sont des chaînes carbonées, et pas de simples atomes d'hydrogène (comme c’est le cas pour les aldéhydes). On peut par exemple citer l'acétone (propan-2-one) CH3-CO-CH3. Nomenclature : Groupe principal : Le nom de la cétone s'obtient en ajoutant le suffixe -one au nom de l'hydrocarbure correspondante, en précisant la place de la liaison carbonyle dans la chaîne carbonée Groupe secondaire : On rajoute le préfixe oxo-, en précisant sa place dans la chaîne carbonée Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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6. Fonctions acides carboxyliques et dérivés • Acides carboxyliques : Définition : Le terme acide carboxylique désigne une molécule comprenant un groupement carboxyle (–C(O)OH) . Ce sont des acides et leurs bases conjuguées sont appelées carboxylates. En chimie organique, un groupe carboxyle est un groupe fonctionnel composé d'un atome de carbone, lié par une double liaison à un atome d'oxygène et lié par une liaison simple à un groupe hydroxyle. Généralités : En chimie, les acides carboxyliques R-COOH constituent avec les acides sulfoniques RSO3H les deux types d'acides de la chimie organique. On les trouve de manière abondante dans la nature, sous la forme d'acide gras (lipide) et ils sont très importants en chimie industrielle. Par exemple, l'acide acétique est non seulement une brique importante pour les molécules complexes que l'on trouve en biologie, mais est aussi une molécule produite industriellement et qu'on retrouve dans le vinaigre. Un des plus connus est l'acide acétylsalicylique, plus connu sous le nom d'aspirine. La brique de base des protéines, les acides aminés sont des acides carboxyliques. Le groupe fonctionnel caractéristique est le groupe carboxyle, ou R est un hydrogène ou un groupe organique :

Les acides carboxyliques ont pour formule brute CnH2nO2 lorsque le R est un groupe alkyle. Le calcul du nombre d'insaturation donne : . Cette insaturation traduit la liaison double carbone-oxygène. On écrit souvent les groupements carboxyles sous la forme réduite : -COOH (forme non ionisée du groupement). La forme ionisée du groupement est : -COO-. Celui-ci est toujours situé en fin de chaîne carbonée. L'ajout d'un groupement carboxyle à un composé organique est une carboxylation, l'élimination de ce même groupement est une décarboxylation. • Ions carboxylates : Définition : Ce sont les bases conjuguées des acides carboxyliques. Ces bases sont en général plutôt faibles. La charge négative sur la molécule est délocalisée sur les deux atomes d'oxygène du groupe carboxyle par mésomérie, ce qui explique la stabilité relative de ce type de molécules. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Nomenclature : Systématique : on ajoute le suffixe « -oïque » au nom de l'alcane correspondant (ayant le même nombre d'atomes de carbone), et en le faisant précéder de "acide". Usuelle : comme de nombreux composés organiques, les acides carboxyliques ont des noms usuels fréquemment utilisés dans la littérature et rappelant la source depuis laquelle ils furent d'abord isolés. NB : un moyen mnémotechnique pour se souvenir des noms des diacides linéaires, dans l'ordre croissant du nombre de carbones, est la phrase suivante : "On Mange Saucisse Grillée A Point" (Oxalique, Malonique, Succinique, Glutarique, Adipique, Pimélique) Nom et source des acides carboxyliques Type

Structure

Nom IUPAC

nom commun

Source

H-COOH

acide méthanoïque

Sécrété par certaines acide formique fourmis (latin : formica, fourmis)

CH3-COOH

acide éthanoïque

acide acétique latin : acetum, vinaigre

CH3CH2COOH

acide propanoïque

acide propionique

grec : pion, gras

CH3(CH2)2COOH

acide butanoïque

acide butyrique

grec: bouturos, beurre

CH3(CH2)3COOH

acide pentanoïque

acide valérique

valériane

CH3(CH2)4COOH

acide hexanoïque

acide caproïque

CH3(CH2)5COOH

acide heptanoïque

acide énanthique

monoacides

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Les polycopiés de la première année des études de santé CH3(CH2)6COOH

acide octanoïque

acide caprylique

noix de maternel

coco,

lait

CH3(CH2)7COOH

acide nonanoïque

acide pélargonique

CH3(CH2)8COOH

acide décanoïque

acide caprique

CH3(CH2)10COOH

acide dodécanoïque

acide laurique

huile de noix de coco

CH3(CH2)14COOH

acide hexadécanoïque

acide palmitique

huile de palme

CH3(CH2)16COOH

acide octodécanoïque

acide stéarique

graisses animales

CH3CH(OH)COOH

acide 2acide lactique hydroxypropanoïque

CH3CH(SH)COOH

acide 2- acide mercaptopropanoïque thiolactique

C6H5-COOH

acide benzoïque

grec : lactus, lait

acides aromatiques benzène

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4. Principales réactions entre fonctions chimiques en biologie : 1. Réactions acide- base

I - Réaction d'auto protolyse de l'eau et produit Ionique 1) Autoprotolyse de l'eau le pH de l'eau pure vaut 7,0 Elle contient des ions oxonium H3O+: pH=-log([H3O+]) Donc [H3O+]=10-7mol/L L'eau pure subit une ionisation partielle:

Cette ionisation fournit autant d'ions oxonium que d'ions hydroxyde. A 25°, On prend V=1L d'eau pure. On a donc m=1kg=103g

2) Avancement final Si on regarde l'équation, on peut en déduire que l'avancemetn final est donné par H3O+ (pour une mole d'eau on a une mole d'ions oxonium et une mole d'ions hydroxyde.)

Cette réaction est donc limitée. A 25°C, dans l'eau pure, [H3O+]=[OH-]=10-7mol/L

3) Produit ionique de l'eau La constante d'équilibre associée à l'équation d'autoprotolyse:

On met ici un 1 au dénominateur en rapport avec la formule de calcul du quotient d'avancement (produit des concentrations des produits sur le produit des concentrations des réactifs) et parce qu'on ne compte par le solvant ou les quantités en excès. Ici Ke=10-14 Ke dépends de la température de l'eau. Ce calcul s'effectue pour toute solution aqueuse Pour des raisons de commodité d'écriture on utilise souvent le cologarithme qui est en fait une fonction notée p et définie par:

Pour voir un exemple d'applications vous pouvez cliquer ici: Afficher/Masquer le contenu On considere deux solutions aqueuses A et B et on se propose de calculer leur pH

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Solution A: Donnée: [H3O+]=6.5x10-5mol/L

Solution B: Donnée: [OH-]=5.5x10-10mol/L On passe par Ke:

Le résultat pH=pKe+log([OH-]) peut être retenu à titre général

4) Solutions neutres, acides et basiques Solutions neutres ([H3O+]f=[OH-]f) Ke=[H3O+]² donc log Ke=log([H3O+]²)=2log([H3O+])

Solutions acides ([H3O+]f > [OH-]f) Ke=[H3O+]f x [OH-]f Donc [H3O+]f ² > Ke

Solutions Basiquess ([H3O+]f < [OH-]f) Ke=[H3O+]f x [OH-]f Donc [H3O+]f ² > Ke

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II - Constante d'acidité Ka 1) Définition On met dans de l'eau l'acide HA. La constante d'équilibre associée à l'équation de cette réaction est apellée constante d'acidité Ka:

pkA=-log(Ka) et Ka=10-pKa

2) Réactions dans l'eau H3O+/H2O La reaction s'écrit: H3O+ + H2O -> H2O + H3O+ On en déduit:

H2O/OHIl s'agit en fait ici de l'autoprotolyse de l'eau: H2O+H2O -> OH- + H3O+

pKa(H2O/OH-)=-log(Ka2)=pKe=14 à 25°C

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III - Diagrammes de prédominances 1) Cas général Les espèces acides A et basiques B d'un couple A/B possèdent des domaines de prédominance différents:

Lorsque pH=pKa

Lorsque pH>pKa

Lorsque pH<pKa

Voici donc une représentation des domaines de dominance:

Le diagramme (ci-dessous) représentant le pourcentage d'un acide A en solution et celui de sa base conjuguée B est appelé diagramme de prédominance

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2) Applications des indicateurs colorés Les indicateurs colorés acido-basiques sont constitués par des couples acide/base dont les espèces acide et base conjuguée ont des teintes différentes. On considère le couple: HIn/InDont la constante est généralement appellée Kai La teinte de l'indicateur dépend de l'espèce qui prédomine et donc du pH !

La zone de pH correspondant au changement de prédominance s'apelle zone de virage d'un indicateur coloré.

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2. Réactions d’oxydoréduction I - Rappels sur les réactions d'oxydo-réduction 1) Couples et demies équations éléctroniques Un oxydant est une espèce chimique suceptible de capter un ou plusieurs éléctrons. Un réducteur est une esèece chimique suceptible de céder un ou plusieurs éléctions. Un couple d'oxydo réduction (ou Redox) est noté : Ox/Red Et est constitué par un oxydant et un réducteur conjugués reliés par une demie équation éléctronique: Ox + ne- = Red Par exemple:

• • •

Fe3+/Fe2+

avec l'équation: Fe3++e- = Fe2+

I2/I- avec l'équation: I2 + 2e- = 2IMnO4- / Mn2+ avec l'équation: MnO4- + 5e- + 8H+ = Mn2+ + 4H20

2) Réactions d'oxydo-réduction Une réaction redox met en jeu des couples redox tels que : Ox1/Red1 Ox2/Red2 Cette réaction illustre en fait un transfert d'un ou plusieurs éléctrons entre le réducteur d'un couple et l'oxydant de l'autre couple: aRed1 + bOx2 -> cRed2 + dOx1 Par exemple : Une réaction mettant en jeux les couples :

• •

Fe3+/Fe2+ I2/I-

No note d'abord les deux équations, puis on les multiplie par les coefficients appropriés:

• •

(Fe3+ + e- = Fe2+ )x2 2I- = I2 + 2e-

On multiplie ici par 2 la première demie équation afin d'avoir effectivement 2 electrons a gauche et à droite de l'équation ! Il faut aussi remarquer qu'on a écrit la deuxieme demie équation dans l'ordre inverse parce que c'est 2Iqui réagit avec Fe3+ et donc pour la suite il est plus pratique de ne pas avoir à croiser, surtout pour les cas plus compliqués On obtient ainsi:

2Fe3+ + 2I- -> I2 + 2Fe2+

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3. Description des principaux mécanismes réactionnels : substitution, addition, élimination • SN1 : La substitution nucléophile monomoléculaire : Définition : communément appelée SN1 est un mécanisme réactionnel en chimie organique. C'est en fait un mécanisme limite, au sens où des réactions chimiques « naturelles » usant de ce type de mécanisme ne se font jamais entièrement selon ce mécanisme, mais à un certain pourcentage. Le mécanisme limite « opposé » est la substitution nucléophile bimoléculaire ou SN2. Cinétique La cinétique de la réaction est de type v = k[R-GP]. Ce type de réaction est dit monomoléculaire, car l'étape cinétiquement limitante dans le mécanisme réactionnel ne fait intervenir qu'une seule molécule du côté des réactifs, donc que la cinétique de la réaction, dans l'approximation de l'étape cinétiquement limitante (déterminante), ne dépend que de la concentration de cette espèce. [R-GP] représente la concentration en substrat en mol.L-1 v représente la vitesse de la réaction de substitution nucléophile. Elle s'exprime en mol.s-1. k est la constante de vitesse; son unité se déduit de celle des 2 autres termes: elle s'exprime donc L.s1 . Mécanisme : La réaction se fait en deux étapes. 1ère étape Le groupe partant GP réagit sur lui-même. La liaison R-GP se rompt pour donner un carbocation R+ et un ion GP-. C'est une réaction très lente et déterminante pour la cinétique de la réaction. Exemple avec 3-chloro-3-ethylpentane: ici c'est le groupe Cl qui joue le rôle de groupe partant. Les lobes en bleu représentent l'orbitale p vacante.

2ème étape Le nucléophile Nu- réagit immédiatement avec le carbocation juste après sa formation. Le nucléophile peut attaquer le carbocation, qui est de géométrie trigonale plane, en dessous ou audessus du plan.

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Avec l'exemple précédent, le produit est le même quel que soit le côté attaqué. Le 3-chloro-3ethylpentane est une molécule achirale. Stéréochimie : Lors d'une SN1, dans le cas où le réactif principal est une molécule chirale, il y a formation d'un mélange racémique (50% de produit de configuration S + 50% de produit de configuration R). La première étape est identique que la molécule soit chirale ou non. C'est lors de la seconde étape que la configuration du réactif entre en jeu. En effet, avec un réactif chiral, le nucléophile peut attaquer le carbocation formé à deux endroits différents. Statistiquement il y autant de chance que le nucléophile se place sur un côté plutôt qu'un autre d'où la formation d'autant de composé R que de composé S.

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Exemple avec le (S)-3-chloro-méthylhexane : 1ère étape : Le chlore réagit sur lui-même pour former l'ion chlorure et un carbocation (étape cinétiquement limitante). 2ème étape :

Première possibilité: Le nucléophile ici joué par I- attaque le carbocation, qui forme un plan trigonal, par la gauche. Le composé formé est de configuration R. Deuxième possibilité: Le nucléophile I- attaque le carbocation par la droite. Le composé formé est de configuration S. Influence de quelques facteurs : Classe de R : Expérimentalement, on observe , lors d'un mécanisme SN1, que la vitesse augmente quand on passe des composés primaires, aux secondaires, puis aux tertiaires. L'influence de R est donc totalement opposée à celle dans le mécanisme de SN2. On peut ainsi schématiser la réactivité: RIII-GP > RII-GP > RI-GP ( > : réagit plus vite que) Cet ordre peut être interprété par une stabilité croissante de l'intermédaire réactionel (carbocation dans le cas d'une SN à partir d'un halogénoalcane), donc de la diminution de l'énergie d'activation , ainsi, une augmentation de la constante de vitesse de l'étape de formation de cet intermédaire Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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réactionel qui détermine la vitesse de la réaction. (On peut schématiser ceci par le fait que plus l'intermédaire réactionnel est stable, plus il est "facile" de le former, donc plus la réaction est rapide, cf le postulat de Hammond) Réactif nucléophile : La "force" du nucléophile, sa concentration ou sa taille, n'ont pas d'influence sur la vitesse de réaction, puisqu'il n'intervient pas dans l'étape cinétiquement limitante. Il n'a donc, en théorie, aucune influence sur la vitesse de la réaction. Polarité du solvant : L'intermédiaire réactionnel est un ion (carbocation dans le cas de l'halogénoalcane en tant que réactif). Il est donc stabilisé par un solvant polaire, alors que le réactif initial ne l'est quasiment pas, de par sa globale neutralité électrique. Donc la vitesse de la réaction augmente avec la polarité du solvant pour un mécanisme de type SN1. Nature du nucléofuge (groupe partant, GP) : La liaison R-GP se rompt d'autant plus facilement qu'elle est polarisable. Pour cela il faut qu'elle soit la plus longue possible. Dans le cadre d'une SN1 sur un halogénoalcane, la vitesse augmente donc de R-I à R-F. Concurrence : Cette réaction est en concurrence avec l'autre substitution nucléophile (SN2), mais aussi avec les réactions d'éliminations, en particulier la réaction d'élimination monomoléculaire (E1), dont les conditions de réalisation sont proches. • SN2 : La substitution nucléophile bimoléculaire : Définition : La substitution nucléophile bimoléculaire, ou communément appelée SN2 est un mécanisme réactionnel en chimie organique. C'est en fait un mécanisme limite, au sens où des réactions chimiques « naturelles » utilisant de ce type de mécanisme ne se font jamais entièrement selon ce mécanisme, mais à un certain pourcentage. Le mécanisme limite « opposé » est la substitution nucléophile monomoléculaire ou SN1. Cinétique de la réaction : La réaction de substitution nucléophile bimoléculaire est appelée ainsi car il s'agit d'une réaction en 1 étape, où 2 réactifs réagissent; elle a donc une cinétique de second ordre. L'expression de sa vitesse de réaction est donc la suivante :

Cette expression de la vitesse reste juste tant que le composé nucléophile reste dans des concentrations raisonnables. Si ce dernier est le solvant, dans le cas d'une solvolyse, on observe un comportement de pseudo premier ordre cinétique, due à la dégénérescence de l'ordre, c’est-à-dire une vitesse exprimée de la façon suivante :

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Mécanisme réactionnel :

Figure : les trois liaisons autour du carbone central sont coplanaires dans l'ET≠. La substitution nucléophile bimoléculaire, ou SN2 est une réaction se faisant en une seule étape, sans intermédiaire réactionnel. L'atome X est plus électronégatif que le carbone auquel il est lié. Il capte les électrons de la liaison et dans un même temps, un groupe nucléophile — noté Nu — se lie au carbone, de l'autre côté du carbone central. On peut alors observer une inversion de la stéréochimie relative du carbone central, mais une conservation de la configuration absolue. C'est cette particularité qui fait de la réaction SN2 une réaction stéréospécifique. L'inversion citée précédemment est nommée « inversion de Walden ». Le postulat de Hammond permet de définir un état de transition — ET≠. Stéréochimie : La réaction de substitution nucléophile bimoléculaire, a contrario de la SN1, est à la fois stéréosélective, stéréospécifique et même énantièrospécifique. Puisque la configuration absolue est conservée par la réaction, un composé de configuration rectus (R) ou sinister (S) donnera respectivement un composé sinister ou rectus par la réaction de SN2. Il en va de même pour les couples de composés, tels que les énantiomères, ou les diastéréoisomères, par exemple :

Si les composés RX et stéréochimie.

ont une stéréochimie particulière, leurs produits par SN2 ont la même

Influence de certains facteurs : Influence du nucléofuge : Deux facteurs doivent être pris en considération, la nucléophilie et la polarisabilité du nucléofuge (à noter que ces deux facteurs sont typiquement en corrélation : un bon nucléophile présente en général une polarisabilité élevée, puisque la déformation du nuage électronique est un des processus-clé de l'établissement de la nouvelle liaison chimique). L'électronégativité du nucléofuge est importante dans la mesure où elle détermine partiellement le caractère polaire du lien chimique Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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R-X, lequel rend le substrat vulnérable aux attaques nucléophiles. Ainsi, on retrouvera les meilleurs nucléofuges à droite du tableau périodique (halogènes). Cela dit, plus le nucléofuge sera polarisable, plus la réaction sera rapide1. Lorsqu'un nucléophile anionique s'approche de la "molécule cible", il y induira un dipôle plus aisément si le nucléofuge est polarisable. Typiquement, la polarisabilité d'un atome est corrélée avec le rayon de son nuage électronique. La taille d'un atome augmente au fur et à mesure que l'on descend dans une colonne du tableau périodique. Parmi les halogènes, on peut classer la nucléofugacité comme ceci : I > Br > Cl > F Ainsi, l'iode est un meilleur nucléofuge que le chlore grâce à sa plus grande polarisabilité. De même l'ordre de nucléophilie est en général identique.2 I > Br > Cl > F Influence du nucléophile : De manière simple et évidente, plus le nucléophile — Nu — sera polarisable, et plus la SN2 sera rapide et favorisée, cinétiquement parlant. Influence du solvant : De façon similaire à l'influence du nucléophile, un solvant polaire stabiliserait le composé nucléophile, c'est pourquoi la SN2 sera favorisée dans un solvant peu polaire et aprotique — solvant ne créant pas de liaisons hydrogène. Influence du groupement alkyle : On observe des réactivités et des vitesses différentes suivant la classe du réactif. En effet, la possibilité de l'inversion de Walden, développée précédemment, est tributaire de la gène stérique provoquée par les chaines liées au carbone central. On introduit donc les classes suivantes de composés :

La SN2 sera favorisée pour un réactif primaire. Et fortement défavorisée pour un composé tertiaire : en effet les chaines R1, R2 et R3 proposent une gêne importante du côté d'attaque du nucléophile, l'état de transition est haut en énergie et peut être impossible à atteindre, les produits ne peuvent alors pas se former. On ne peut pas statuer a priori sur le sort du composé secondaire, la réaction pouvant ou non se produire selon les conditions expérimentales. Exemple de SN2 :

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Cet exemple montre que le produit d'une molécule chirale par une SN2 est une molécule chirale. • Elimination mononucléaire (E1) : La réaction d'élimination monomoléculaire est caractérisée par une cinétique d'ordre global 1, d'ordres partiels 1 par rapport au dérivé halogéné et 0 par rapport à la base B| : v = k.[RX]. La réaction se fait en deux étapes, dont l'une est cinétiquement limitante. Cette dernière, monomoléculaire, ne fait intervenir que la molécule du dérivé halogéné du côté des réactifs, par conséquent la cinétique de la réaction, dans l'approximation de l'étape cinétiquement limitante (ou déterminante), ne dépend que de la concentration de cette espèce. [RX] représente la concentration en dérivé halogéné en mol.L-1 v représente la vitesse de la réaction de l'élimination. Elle s'exprime en mol.s-1. k est la constante de vitesse : c'est en fait celle de l'étape cinétiquement limitante (k1). Son unité, L.s1 , se déduit de celles des deux autres termes. Mécanisme de l'E1 : La réaction se fait en deux étapes. Première étape - Départ du nucléofuge, formation d'un carbocation : Cette étape de formation du carbocation est une étape lente, réversible et impose sa vitesse à l'ensemble de la réaction.

Deuxième étape - Réaction acide-base : La base arrache le proton. Le doublet se "rabat" alors sur la liaison carbone-carbone pour former une liaison double. Comme la liaison simple carbone-carbone peut pivoter, il peut se former deux Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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stéréoisomères. Cette réaction étant beaucoup plus rapide que la précédente, sa vitesse n'influence pas la vitesse globale.

Stéréosélectivité et Régiosélectivité : Stéréochimie : Comme le montre le mécanisme, le passage par un carbocation, qui est une structure plane, enlève tout élément de stéréospécificité contrairement (voir la suite) au mécanisme d'élimination bimoléculaire. Mais, si deux stéréoiseomères géométriques peuvent se former, ils ne se forment pas dans les mêmes proportions. L'isomère le plus stable, c'est-à-dire celui dont l'énergie est la plus basse, est formé majoritairement. C'est donc l'isomère E qui est majoritairement formé. On parle alors de stéréosélectivité partielle. Exemple :

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Régiochimie : Lorsque plusieurs isomères de constitution peuvent se former, il se forme préférentiellement l'alcène thermodynamiquement le plus stable. S'il n'y a que des groupes alkyles, c'est l'alcène le plus substitué. Si des mésoméries peuvent intervenir, c'est l'alcène le plus conjugué qui est majoritaire. On parle alors de la régiosélectivité ou de la règle de Zaïtsev. Cependant, parfois l'alcène thermodynamiquement le moins stable se forme préférentiellement, on parle alors de l'élimination d'Hofmann. C'est le cas notamment lorsque la base utilisée est encombrée (ex : KtBuO) ou lorsque que l'on a un ion ammonium qui s'élimine par exemple. (Molécule portant une amine en présence de MeI en nombre d'équivalents suffisant pour former le sel d'ammonium, puis mise en présence d'oxyde d'argent humide et chauffé. Formation de l'alcène par élimination d'Hofmann et donc départ de N(Me)3.) Facteurs influant sur la réaction : Les paramètres influençant l'élimination E1 sont : l'effet de R- : l'étape cinétiquement déterminante est la formation du carbocation (et non sa réactivité), donc plus celui-ci est stable, plus la réaction est favorisée. le nucléofuge : la coupure de la liaison C-groupe partant étant l'étape clef du mécanisme, la réaction dépend fortement de la nature de ce nucléofuge. Meilleur est le groupe partant, plus la réaction est rapide. Par exemple pour la déshydratation des alcools, la première étape est la protonation de l'alcool pour former un oxonium, et donc un meilleur groupe partant (H2O>HO-) OSO2R(R=Me, AR)>I>Br>Cl>OH. À noter que la base n'influence pas ce type de réaction d'ordre 1 et ceci dans la mesure où elle n'intervient pas lors de la première étape qui détermine la vitesse globale de la réaction. Groupe alkyle du dérivé halogéné : Le mécanisme passe par un intermédiaire réactionnel de type carbocation. Celui-ci est d'autant plus stable qu'il est substitué. Ainsi, la vitesse de réaction (donc de formation du carbocation) progresse des dérivés primaires, aux secondaires puis aux tertiaires. En pratique, seuls ces derniers, et quelques dérivés secondaires, réagissent par ce mécanisme.

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Nucléofuge : Plus la liaison R-X est polarisable, plus la rupture est facile. La vitesse croit donc ainsi :

(< : réagit plus rapidement que) Solvant : Polarité : un solvant polaire stabilise le carbocation ; il rend ainsi la première réaction plus facile. La vitesse croit donc avec la polarité du solvant. Proticité : un solvant protique est plutôt un handicap : en effet il risque de rentrer en concurrence avec le carbocation lors de la réaction acide-base(forte). Concurrence : Cette réaction est non seulement en concurrence avec l'autre élimination, mais aussi avec les réactions de substitutions nucléophiles, en particulier avec la SN1. Cette dernière se produit en effet dans des conditions similaires (outre le chauffage). • Elimination bimoléculaire (E2) Cinétique : La réaction d'élimination bimoléculaire a une cinétique d'ordre global 2 et d'ordre partiel 1 par rapport au dérivé halogéné R-X et à la base B:-. La réaction se fait en une seul étape qui est bimoléculaire la vitesse de la réaction suit donc une loi de type : v=k.[R-X].[B:-]. où: [R-X] représente la concentration en dérivé halogéné en mol.L-1 [B:-] représente la concentration base en mol.L-1 v représente la vitesse de la réaction de l'élimination. Elle s'exprime en mol.s-1. k est la constante de vitesse. Son unité, L.s-1.mol-1, se déduit de celles des deux autres termes. Mécanisme de l'E2 : L'élimination bimoléculaire est une réaction en une étape, bimoléculaire.

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Durant une même étape élémentaire se produisent l'arrachage du proton par la base, la formation de la double liaison, et le départ de l'atome d'halogène(nucléofuge) sous forme d'ion halogénure. On parle de mécanisme synchrone ou concerté. Stéréochimie : L'E2 est une réaction stéréospécifique. La réaction ne se fait que lorsqu'un hydrogène et le groupe partant sont en position antipériplanaire. Facteurs influant sur la réaction : La vitesse de réaction d'une E2 ne varie que faiblement selon la classe de l'halogénure considéré. Néanmoins, plus la classe est élevée et plus la réaction est rapide. La vitesse de réaction croît avec la force de la base. Le caractère nucléofuge du groupe partant a également une influence sur la réaction.

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4. Exemples de réactions de fonctions chimiques des molécules biologiques : alcools, amines, aldéhydes et cétones, carboxyles. • Les alcools : Réaction de substitution nucléophile (SN) : Les alcools peuvent subir une substitution nucléophile dans laquelle le groupe hydroxyle est remplacé par un autre radical nucléophile. Passage de l'alcool aux halogénoalcanes. A partir d'un hydracide Réaction : la réaction avec un hydracide, chlorure, bromure ou iodure d'hydrogène pour former un halogénoalcane (halogénure d'alkyle ou encore dérivé halogéné) : R-OH + HX -> R-X + H2O, X représentant l'halogène Cl, Br ou I (F n'est pas utilisé, la réaction est énormément trop lente). Il s'agit de la réaction inverse de la réaction d'hydrolyse des dérivés halogénés. Elle est favorisée dans le sens direct si l'hydracide est concentré et en excès, dans l'autre sens en cas d'excès d'eau, et en milieu basique. stéréochimie : dépend de la classe de l'alcool (voir mécanismes) En fonction de la classe de l'alcool, et de la nature de l'hydracide, la réaction est plus ou moins lente et plus ou moins limitée (cela est aussi dû aux mécanismes). On peut par conséquent effectuer un classement : RIOH < RIIOH < RIIIOH ("<" = "réagit moins vite et de façon plus limitée que"<" = "réagit moins vite et de façon plus limitée que") et HF<<HCL<HBR<HI.< p> Mécanismes : Selon la classe de l'alcool, des mécanismes limites sont envisageables : Un alcool primaire (donc peu encombré stériquement) réagira selon l'un mécanisme de type SN2. L'ensemble des propriétés sont par conséquent celles d'une SN2 (inversion de configuration relative, énantièrospécificité, ... ) Un alcool tertiaire suit un mécanisme de type SN1 : en effet, le carbocation tertiaire constitué est assez stable. Les propriétés sont par conséquent celles d'une SN1 (non stéréosélectivité, racémisation si le carbone porteur du groupe hydroxyle est asymétrique, ... ) Un alcool secondaire peut suivre un mécanisme de type SN1, ou alors un mécanisme intermédiaire entre SN1 et SN2. Remarques : Ces réactions passant par un intermédiaire carbocationique peuvent provoquer des réarrangements. ces réactions peuvent être catalysées par un acide de Lewis comme le chlorure de zinc. Il se forme alors un adduit, qui débouche sur la formation d'un carbocation (HOZnCl2 est meilleur groupe partant que OH2), facilitant ainsi l'addition de l'halogène. Cette réaction peut être étendue à d'autres acides, comme l'acide phosphorique, sulfurique... Cette réaction est particulièrement peu utilisée en synthèse car elle est trop lente. On utilise par conséquent du chlorure de tosyle pour former un tosylate qui est un très bon groupe partant. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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A partir de dérivés d'acides inorganiques Différents composés peuvent être employés pour permettre une halogénation des alcools. Pour la chloration, les réactifs les plus courants sont le phosgène (COCl2), le chlorure de thionyle (SOCl2), l'oxychlorure de phosphore (POCl3), et les chlorures de phosphore (PCl3) et (PCl5). Pour une bromation, (PBr3) et le couple CBr4 / triphénylephosphine. Les iodures sont le plus souvent synthétisés par déplacement d'un chlorure par NaI dans l'acétone (NaI y est soluble, au contraire de NaCl, dont la précipitation est la force motrice de la réaction). Réaction d'élimination (déshydratation) : Les alcools peuvent subir une réaction d'élimination à haute température en milieu acide et produire des alcènes : CH3-CH2-OH -> CH2=CH2 + H2O Cette réaction peut être inversée pour synthétiser des alcools à partir d'alcènes et d'eau, mais reste peu fiable car elle produit des mélanges d'alcools. Estérification : En réagissant avec un acide carboxylique, l'alcool forme un ester.

Oxydation des alcools : Il existe deux oxydations d'un alcool. Soit l'oxydation est dite complète. Soit elle est ménagée. Oxydation complète d'un alcool : Pour oxyder complètement un alcool, on le brûle à l'aide d'une flamme. À la fin de la réaction, tout l'alcool a réagi et les produits formés sont le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d'eau (H2O). Lors d'une oxydation complète la chaîne carbonée de l'alcool est modifiée. Voici l'équation de la réaction générale et un exemple :

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Oxydation ménagée d'un alcool : Par oxydation ménagée, on peut obtenir d'un alcool: si c'est un alcool primaire, un aldéhyde et un acide carboxylique. si c'est un alcool secondaire, une cétone. si c'est un alcool tertiaire, il n'y a pas d'oxydation. Pour réaliser une oxydation ménagée, il faut faire réagir l'alcool avec un oxydant comme l'ion permanganate MnO4-, l'ion dichromate Cr2O72- ou le PCC. Il se produit alors une réaction d'oxydoréduction. Lors d'une oxydation ménagée seul le groupe caractéristique hydroxyle de l'alcool est concerné. Oxydation ménagée d'un alcool primaire : Exemple du propan-1-ol Demi-équations d'oxydoréduction : il doit y avoir autant d'électrons pour l'oxydant que pour le réducteur (d'où les multiplications) ×2{MnO4- + 5e- + 8H+ = Mn2+ + 4H2O} ×5{CH3-CH2-CH2-OH = CH3-CH2-CHO + 2e- + 2H+} Équation de la réaction : on combine les deux demi-équations en enlevant les électrons 5CH3-CH2-CH2-OH + 2MnO4- + 6H+ 5CH3-CH2-CHO + 2Mn2+ + 8H2O Le milieu acide permet la réaction. Le plus souvent, on utilise l'acide sulfurique (2H+ + SO42-) pour acidifier la solution. De plus, lorsque l'oxydant est en excès, il y a formation d'un acide carboxylique Oxydation ménagée d'un alcool secondaire : Exemple du propan-2-ol Demi-équations d'oxydoréduction : il doit y avoir autant d'électrons pour l'oxydant que pour le réducteur (d'où les multiplications) ×2{MnO4- + 5e- + 8H+ = Mn2+ + 4H2O} ×5{CH3-CHOH-CH3 = CH3-CO-CH3 + 2e- + 2H+} Équation de la réaction : on combine les deux demi-équations en enlevant les électrons 5CH3-CHOH-CH3 + 2MnO4- + 6H+

5CH3-CO-CH3 + 2Mn2+ + 8H2O

Le milieu acide permet la réaction. Le plus souvent, on utilise une solution aqueuse d'acide sulfurique pour acidifier le milieu réactionnel.

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Réduction des alcools : Les alcools peuvent être réduits en alcanes avec tributylétain par une réaction radicalaire nommée réaction de Mac Murry. • Les amines : Propriétés acido-basiques Basicité Elle est due au doublet non liant porté par l'atome d'azote. La plupart des amines manifestent des propriétés basiques en solution aqueuse. La réaction prépondérante avec l'eau peu s'écrire :

Ainsi qu'on le constate sur le tableau ci-dessous, les valeurs numériques de la constante d'acidité Ka pour le couple ion aminium/amine varient beaucoup d'un couple à l'autre.

Composé

PhNH2

PyH

NH3

Me3N

MeNH2

Me2NH

pKa

4,6

5,6

9,2

9,8

10,6

10,7

Expérimentalement, en solution aqueuse, on constate que les amines acycliques sont plus basiques que l'ammoniac. Plus précisément, on observe l'ordre suivant des basicités : secondaires > primaires > tertiaires Cet ordre n'est pas facile à rationaliser car les écarts observés ont une faible amplitude. Plusieurs effets possédant le même ordre de grandeur se superposent : électroniques, stériques, et surtout solvatation. En série cyclique, la situation est plus compliquée. Ainsi, l'aniline est 100 000 fois moins basique que la cyclohexylamine : pKa (CyNH3+/CyNH2) = 9,6 ; pKa (PhNH3+/PhNH2) = 4,6. On interprète habituellement ce résultat par le fait que le doublet non liant de l'aniline est moins disponible dans cette amine aromatique que dans la cyclohexylamine du fait de la délocalisation électronique dans le premier cas. Cependant, cet effet n'est pas isolé ; la solvatation joue aussi un rôle important. Le cas des amines hétérocycliques aromatiques est aussi un sujet délicat. • Dans la pyridine, le doublet de l'azote n'est pas impliqué dans le système aromatique. La pyridine est basique.

En revanche dans le pyrrole, le doublet participe à la conjugaison au sein d'un cycle aromatique. Le pyrrole ne manifeste pas de propriétés basiques. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 63 •


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La basicité intrinsèque, peut être déterminée en phase gazeuse en utilisant les techniques de résonance cyclotronique ionique. Elle peut être très différente de celle observée en présence d'un solvant. J. I. Brauman a montré dans les années 70 que la basicité intrinsèque des amines croit régulièrement avec le degré de substitution de l'azote. Il est amusant de constater que des mesures analogues faites sur l'acidité des amines montrent qu'elle varie également dans le même sens ! Les amines tertiaires ci-dessous sont fréquemment utilisées pour promouvoir des réactions d'élimination E2. Ce sont des bases encombrées, non nucléophiles ce qui permet de limiter les réactions de substitution. Dans DBN et DBU, l'un des atomes d'azote forme un système conjugué avec une cétimine ce qui renforce la basicité. • DBN et DBU sont utilisées comme base dans la réaction de Wadworth-Emmons. • DABCO et DBU sont utilisées comme catalyseur dans la réaction de Baylis-Hillman. Ces bases sont beaucoup moins fortes que les amidures.

1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ène (DBN)

1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène (DBU)

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO)

La transformation suivante, utilisée dans la synthèse de la cantharidine permet de passer d'un alcène à un diène. L'addition de dibrome sur la double liaison éthylénique est suivie d'une double réaction d'élimination E2.

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L'image de gauche représente la molécule de N, Ndiisopropyléthylamine en core appelée base de Hunig. Elle peut remplacer la triéthylamine comme capteur de protons dans de nombreuses applications. Elle présente en outre plusieurs avantages par rapport à cette dernière : • elle possède une nucléophilie très faible ; • elle est difficilement alkylable ; • elle peut être facilement recyclée par distillation azéotropique et peut être extraite sous forme de son acide conjugué en phase aqueuse. Ce recyclage réduit les coûts de fabrication dans les synthèses industrielles [32]. Les propriétés basiques des amines se manifestent par la formation de composés ioniques avec l'acide picrique. Ces composés, facilement cristallisables, peuvent être purifiés aisèment. Ils servent à identifier les amines par repérage de leur température de fusion.

Un mode opératoire est décrit à la référence [2]. La basicité des amines est mise à profit pour leur extraction d'un milieu réactionnel. • en milieu aqueux, en présence d'acides forts, on obtient des sels d'aminium solubles dans l'eau ; • il est possible d'opérer en milieu non aqueux avec des solutions de HCl dissous dans l'éther. Dans ce cas, le chlorhydrate d'aminium précipite en milieu inorganique. Amidures Les amines primaires et secondaires sont des acides de Brönsted très faibles pKa > 30. Contrairement aux alcools qu'on peut déprotoner, en quantité certes très faible, dans l'eau, la réaction n'est pas envisageable avec les amines. Les amines peuvent être déprotonées en milieu non aqueux par des bases très fortes telles que le butyllithium nBuLi. On prépare ainsi plusieurs bases lithiées. Par exemple le diisopropylamidure de lithium (iPr)2N-Li+, noté traditionnellement LDA.

Les bases dérivées de l'hexaméthyldisiliazane sont fréquemment utilisées. Ce dernier peut être préparé en faisant réagir l'ammoniac avec le chlorure de triméthylsilyle. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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L'aptitude du silicium à stabiliser une charge négative en a est bien connue. On prépare ainsi le LHMDS.

Le tableau ci-dessous regoupe quelques bases usuelles. Les bases analogues sodiques et potassiques de LHMDS sont également utilisées lorsqu'on souhaite éviter la présence du cation lithium. Un exemple est fourni par la réaction de Wittig stéréosélective Z en présence d'ylures non stabilisés.

LDA pK = 36 (solvant DMSO)

LTMP pK = 37 (DMSO)

LHMDS pK = 30 (DMSO)

On utilise généralement le LDA à basse température, typiquement - 78 °C. Cette base possède plusieurs atouts : • solubilité en milieu organique, même à basse température dans des solvants comme le THF ; • grande force (pKa = 36) ; • nucléophilie très faible du fait de l'encombrement important des groupes isopropyles. Les bases fortes précédentes sont utilisées dans la préparation d'énolates cinétiques de composés carbonylés. Un exemple est fourni par la préparation de l'énolate cinétique d'une cétone a-méthylée avant son piégeage sous forme d'éther d'énol silylé. Une autre méthode pour déprotoner les amines consiste à coupler la réaction acide-base avec la réduction de l'ion H+ grâce à un métal alcalin.

Signalons que le sodium se dissout dans l'éthylamine liquide pour donner des paires ions-électrons solvatés comme dans l'ammoniac liquide. Complexation Formation de complexes Les amines sont des bases de Lewis et, à ce titre, forment de nombreux complexes avec les ions métalliques des éléments de transition. Les amines simples sont des ligands comparables à Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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l'ammoniac. Une diamine comme l'éthylène diamine (diamino-1,2-éthane, symbolisée par én) possède deux points d'ancrage. C'est un ligand bidente (en anglais : bidentate). L'augmentation très importante de la constante de stabilité observée quand on remplace l'ammoniac par l'éthylènediamine trouve son origine dans l'effet entropique. Dans la réaction de formation du premier complexe, le nombre de particules n'est pas modifié. En revanche on constate un accroissement du nombre de particules dans la réaction de formation du complexe avec l'éthylènediamine. La constante de formation du second complexe est beaucoup plus grande dans le second cas. Ce phénomène porte le nom d'effet chélate (du grec chele : pince, en référence aux ligands polydentes.) L'image de gauche représente un complexe du cobalt et de l'éthylènediamine [Co(en)3]2+. On trouve un complexe azoté du cobalt dans la partie centrale de la molécule de vitamine B 12 dont la synthèse totale a été effectuée par R. B. Woodward et A. Eschenmoser

Le complexe entre le fer (II) et l'orthophénantroline est utilisé comme indicateur redox sous le nom de ferroïne.

La myoglobine et l'hémoglobine comportent un complexe porphyrine-fer (II) appelé hème dans lequel on trouve quatre unités pyrrole. La réaction suivante traduit la complexation d'un ion Fe (II) par une porphyrine.

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Complexation des organométalliques Les amines primaires et secondaires sont déprotonées quantitativement par les organomagnésiens et les organolithiens. Un exemple évoqué plus haut est la préparation de la base lithiée LDA. Les amines tertiaires sont compatibles avec les organométalliques et sont parfois utilisées comme solvant de ces composés. La tétraméthyléthylènediamine (TMEDA) forme des complexes stables, solubles en milieu organique avec les organolithiens. La complexation du lithium accroit fortement la polarité de la liaison organométallique et exalte le caractère de carbanion du lithien.

Le butyllithium complexé par la TMEDA est un agent basique particulièrement puissant.

Ce type d'organométallique est capable de déprotoner le ferrocène.

Les organométalliques forment des complexes colorés avec l'orthophénantroline et la bisquinoléine ce qui permet d'effectuer leur dosage par la méthode de Watson et Eastham. Les organolithiens chélatés par des ligands chiraux comme la spartéine permettent des réactions de déprotonation énantiosélectives.

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Cryptands Les cryptands sont des macrohétérobicycles. On peut les considérer comme des structures prolongeant à trois dimensions celles des polyéthers macrocycliques de type couronne synthétisés par C. J. Pedersen en 1967. Ils sont capables de former des complexes stables et sélectifs avec un certain nombre de cations alcalins et alcalino-terreux. L'image de gauche représente le cryptand [2,2,2] synthétisé par J.-M. Lehn et son équipe en 1969. Il forme des complexes 1-1 avec des cations métalliques que Lehn a appelé cryptates du grec cryptos caché. La stabilité du complexe dépend de la nature du cation. Elle varie dans l'ordre : K+ > Rb+ > Na+ > Li+ > Cs+. Li+ et Cs+ sont respectivement trop petit et trop gros pour être complexés de façon efficace. J.-M. Lehn a obtenu le prix Nobel de chimie conjointement avec les Américains D. J. Cram et C. J. Pedersen en 1987. Citons quelques propriétés remarquables des cryptands : • La solubilité dans l'eau du sulfate de baryum est multipliée par 10 000 en présence du cryptand [2,2,2]. • Les cryptands sont aussi des agents de transfert de phase. La densité de charge d'un cation camouflé au sein d'un cryptate est fortement diminuée tandis que le caractère lipophile de l'ensemble est considérablement accru. L'anion associé peut être véhiculé en phase organique est faiblement lié au cryptate. De ce fait, sa réactivité s'en trouve exaltée. On peut ainsi réaliser des substitutions en utilisant l'ion fluorure comme nucléophile. • L'aptitude de certains cryptands à complexer les cations alcalino-terreux a été mise à profit pour extraire le strontium (II) radioactif d'organismes vivants. • Signalons pour terminer une réaction remarquable réalisée par J. L. Dye et son équipe de l'Université du Michigan en 1974. En dissolvant du sodium en présence de cryptand [2,2,2] ces auteurs ont préparé un composé ionique de couleur jaune d'or contenant l'anion Na- ! L'étude des propriétés des complexes macrocycliques constitue un domaine en plein développement et ouvre la voie à une chimie dans laquelle la notion de reconnaissance joue un rôle déterminant et qu'on appelle chimie supramoléculaire [18]. Alkylation Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Bilan de l'alkylation d'Hofmann La méthode a priori la plus simple pour alkyler l'atome d'azote d'une amine consiste à la faire réagir avec un dérivé halogéné. Avec une amine primaire ou secondaire il y a substitution d'un atome H par un groupe alkyle. On obtient donc en principe l'amine appartenant à la classe immédiatement supérieure. Avec une amine primaire, le bilan théorique s'écrit : Cependant HX étant un acide fort, il est dissocié en solution : Il faut donc tenir compte des équilibres acido-basiques suivants :

Ces équilibres diminuent le rendement de la réaction en privant l'amine de son caractère nucléophile. On peut s'affranchir de cette difficulté en utilisant une base peu nucléophile comme l'ion carbonate qui réagit avec les ions H+ formés. Avec une amine tertiaire on obtient un halogénure d'ammonium quaternaire. Mécanisme Il s'agit d'une réaction de substitution utilisant comme substrat le dérivé halogéné et l'amine comme réactif nucléophile. Avec un substrat primaire ou secondaire la réaction est de type SN2. Les substrats tertiaires sont peu exploitables en raison de la réaction concurrente d'élimination. L'amine peut en effet jouer le rôle de base.

Intérêt et limitations de la réaction L'alkylation directe des amines avec un dérivé halogéné ne constitue généralement pas une très bonne méthode synthétique car l'amine alkylée réagit à son tour avec le réactif. On obtient donc un mélange de produits qu'il faut ensuite séparer. Une méthode simple et douce d'alkylation des amines est l'amination réductive des aldéhydes et des cétones. La perméthylation d'Hofmann ou méthylation exhaustive, consiste à méthyler tous les sites possibles de l'amine. On utilise l'iodométhane comme agent alkylant. Avec ce substrat, la réaction est facilitée par le caractère d'excellent nucléoguge de l'ion iodure et il ne peut y avoir d'élimination. De plus, l'iodométhane est liquide à la température ordinaire. En présence d'un excès d'iodométhane, on obtient l'ion ammonium quaternaire. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La quantité de matière n d'iodométhane nécessaire pour atteindre l'ion ammonium permet de déterminer la classe de l'amine. n (mol)

3

2

1

Classe d'amine

primaire

secondaire

tertiaire

Par exemple, dans le cas ci-dessous, la réaction nécessite trois équivalents d'iodométhane. On en déduit que l'amine est primaire. Remarque : la diméthylaniline peut être préparée en utilisant deux moles d'iodométhane pour une mole d'aniline.

D'un point de vue expérimental, il faut se rappeler que l'iodométhane est un agent alkylant très puissant et de ce fait, il est extrêmement toxique pour l'organisme. La réaction ci-dessous est extraite de la synthèse de l'acide lysergique (Woodward, 1956 [45]). Elle permet l'introduction d'une chaîne latérale en a du groupe carbonyle après bromation régiosélective dans cette position.

Alkylation de l'ammoniac L'alkylation de l'ammoniac constitue une méthode de synthèse des amines primaires. Puisque l'ammoniac est très soluble dans l'eau, on peut utiliser des solutions aqueuses très concentrées. Le réactif est alors en grand excès par rapport à l'halogénure et la polyalkylation devient négligeable. La synthèse de la 1-méthyl-2-phényléthylamine illustre cette manière de procéder.

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La 1-méthyl-2-phényléthylamine ou amphétamine possède une structure voisine d'un neurotransmetteur : l'adrénaline [20]. L'amphétamine est un stimulant du système nerveux central. Ce composé a été utilisé par certains sportifs dans le but d'améliorer leurs performances. Il est sans doute à l'origine de la mort dramatique du champion du monde cycliste Tom Simpson dans l'ascension du mont Ventoux lors du Tour de France 1967. Substitution nucléophile aromatique L'atome d'azote d'une amine primaire ou secondaire peut substituer un halogène porté par un cycle aromatique fortement désactivé selon un mécanisme d'addition-élimination. Le 1-chloro-2,4-dinitrobenzène forme des dérivés facilement cristallisables permettant d'identifier les amines [6].

L'atome d'azote d'un amino-acide est suffisamment nucléophile pour déplacer le fluor du dinitrofluorobenzène ou réactif de Sanger. On peut ainsi déterminer la position de l'amino-acide Nterminal d'une protéine. Réactions des ions ammonium quaternaires Réactions d'élimination à partir des ions ammonium quaternaires Les ions ammonium quaternaire possèdent un groupe -NR3+ lié à une chaine carbonée. Si l'atome de carbone en b possède un atome d'hydrogène, une élimination conduisant à un composé éthylénique est possible. Les amines étant d'assez mauvais nucléofuges (à corréler empiriquement à une basicité élevée) la réaction doit être effectuée en présence d'une base forte à chaud. L'oxyde d'argent en suspension dans l'eau ou oxyde d'argent "humide", est très utilisé. Son rôle est double : • C'est un oxyde basique, qui en présence d'eau, est une source d'ions OH : •

L'ion Ag+ réagit avec avec I- pour donner de l'iodure d'argent AgI très peu soluble, ce qui décolle cet ion de la paire d'ions formée avec l'ion alkylammonium.

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La régiosélectivité de l'élimination suit la règle d'Hofmann. Si deux composés éthyléniques peuvent se former, le composé majoritaire est celui qui possède la double liaison la moins substituée. Les résultats suivants concernent l’élimination d’Hofmann sur l’iodure de (1-méthylpropyl)triméthylammonium. Les diastéréo-isomères Z et E du but-2-ène sont très minoritaires par rapport au but-1-ène. Composé

but-2-ène (Z et E)

but-1-ène

%

5

95

Plusieurs explications ont été avancées pour expliquer la régiosélectivité de l'élimination d'Hofmann. Dans la théorie de l'état de transition variable développée par J. F. Bunnett, la formation du composé le moins substitué est à mettre en relation avec le fait que -NR3 n'est pas un bon nucléofuge. Rappelons à cet égard la règle empirique corrèlant l'aptitude nucléofuge et la basicité. Les amines ne sont pas des bases très faibles ce sont donc de mauvais nucléofuges. Le schéma de gauche représente une illustration de la théorie de l'état de transition variable. Dans le complexe activé (1) d'une élimination bimoléculaire E2 l'arrachage de l'atome d'hydrogène par la base B et le départ du nucléofuge X sont synchronisés. En présence d'un mauvais nucléofuge X, l'arrachage de l'atome d'hydrogène précède le départ de X. Il en résulte pour le complexe activé (2) l'apparition d'une charge négative sur l'atome de carbone en b qui lui confère un caractère de carbanion. Le mécanisme de l'élimination est de type bimoléculaire E2 mais se rapproche du mécanisme E1cB dans lequel on observe la formation d'un carbanion. La régiosélectivité est alors déterminée par l'acidité cinétique de l'atome d'hydrogène porté par l'atome de carbone en b. C'est l'hydrogène le plus dégagé qui est arraché le plus rapidement par la base conduisant au composé éthylénique le moins substitué. Mis à part le cas de certaines éliminations sur les dérivés halogénés, la crotonisation des aldols en milieu basique procède également de ce mécanisme. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Application de la réaction d'Hofmann à la détermination des structures A l'époque où l'on ne disposait pas du puissant moyen d'analyse que constituent les méthodes spectrales, la détermination de la structure des molécules s'effectuait par voie chimique. L'élimination d'Hofmann a été mise à profit pour déterminer la structure de molécules complexes notamment des alcaloïdes. La nature des composés éthyléniques issus de l'élimination d'Hofmann peut être déduite de l'analyse des produits de coupure par ozonolyse. Examinons un exemple. Soit à déterminer la position du groupe méthyle dans l'amine cyclique ci-dessous qui est un dérivé de la pipéridine.

Par une suite de méthylations et d'éliminations d'Hofmann on obtient un composé éthylénique (A) dont l'ozonolyse en milieu réducteur fournit du méthanal et du butanedial. On peut remonter à la structure de l'amine en considérant successivement les réactions ci-dessous : • ozonolyse ;

méthylation ;

élimination d'Hofmann ;

méthylation ;

élimination d'Hofmann ;

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Application de la réaction d'Hofmann en La réaction d'Hofmann est utilisée dans la synthèse de doubles liaisons éthyléniques.

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synthèse

Le méthylènecyclohexane peut aussi être obtenu par réaction de Wittig. L'exemple suivant concerne les deux dernières étapes de la synthèse du barrelène par H. E. Zimmerman (1960).

La réaction a permis, à A. C. Cope en 1953 la préparation du (E)-cyclooctène [38]. Utilisation des ions ammonium quaternaires dans les réactions par transfert de phase Les ions ammonium quaternaires sont des amphiphiles. Ils comportent une partie apolaire et une partie ionique. Cette structure originale leur permet d'être solubles en milieu aqueux sous forme ionique et d'exister en milieu organique engagés dans des paires d'ions faiblement liés. Lorsqu'une réaction implique des espèces anioniques, l'une des difficultés est de disposer d'anions suffisamment réactifs dans la phase organique. Une solution à ce problème consiste à véhiculer les anions dans cette phase grâce à un contre-ion positif qui partage son affinité entre la phase aqueuse et la phase organique. Ces ions transporteurs sont recyclés au fur et à mesure de la réaction, c'est pourquoi on parle de catalyse par transfert de phase. Le schéma ci-dessous résume les principaux équilibres dans le cas d'une réaction de substitution :

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La catalyse par transfert de phase a été découverte par le chimiste polonais M. Makosza en 1965. Elle consiste à réaliser une réaction dans un milieu diphasé organique / aqueux en présence d'un catalyseur pouvant se partager entre les deux milieux, comme un ion ammonium quaternaire R4N+ un éther couronne ou un cryptand. Cet ion peut véhiculer les anions en phase organique où ils acquièrent une plus grande réactivité. La réaction peut être réalisée à température assez basse sans utiliser de solvant dipolaire aprotique. Un site [14] est spécialement consacré à ce type de catalyse. L'exemple suivant concerne l'alkylation d'un composé carbonylé en a du carbonyle.

On peut aussi synthétiser des éthers en milieu biphasé organique/aqueux en utilisant les ions OHcomme base en présence d'un ammonium quaternaire comme agent de transfert de phase.

Il est possible de réaliser des synthèses énantiosélectives en utilisant des ions ammonium quaternaires chiraux comme le sel de cinchonidinium suivant obtenu à partir de l'alcaloïde cinchonidine

Dans l'exemple suivant, ce catalyseur est utilisé dans une réaction d'époxydation d'un dérivé de la benzoquinone.

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Il s'agit d'une étape d'une synthèse récente d'un antibiotique, la manumycine C. L'excès énantiomérique est supérieur à 99,5 %. Acylation Bilan Il s'agit de la réaction entre une amine primaire ou secondaire et un agent acylant : halogénure d'acyle, anhydride d'acide, acide carboxylique. Elle fournit un amide. On observe une réaction du même type avec l'ammoniac. La présence d'au moins un atome d'hydrogène sur l'azote est essentielle. C'est la raison pour laquelle les amines tertiaires ne peuvent être acylées. Acides carboxyliques La réaction entre une amine et un acide carboxylique engage l'essentiel des réactifs sous forme de sel d'aminium inerte vis à vis de la réaction d'acylation puisque cet ion a perdu tout caractère nucléophile.

La réaction n'est donc généralement pas utilisée sauf dans quelques cas particuliers. La synthèse du phtalimide s'apparente à la réaction précédente mais le composé azoté est l'ammoniac.

Ce composé est utilisé dans la synthèse de Gabriel des amines primaires. Chlorures d'acyles et anhydrides La réaction entre une amine primaire ou secondaire et un chlorure d'acyle ou un anhydride permet la préparation des amides. La méthode la plus ancienne est celle de Schotten-Baumann. La réaction est effectuée en milieu aqueux avec une solution diluée d'ions hydroxyde OH- dont le rôle est de neutraliser l'acide formé. L'amine est suffisamment nucléophile pour que la réaction concurrente des ions hydroxyde vis à vis de l'halogénure d'acyle soit négligeable. Au début du siècle, A. Einhorn a modifié le protocole initial en remplaçant les ions hydroxyde par la pyridine.

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Les amines aromatiques subissent la même réaction :

l'acétanilide est un solide incolore de point de fusion 114 °C, [4]. Plus récemment W. Steglich et L. M. Litvinenko ont introduit la diméthylaminopyridine (DMAP) qui s'est révélé un catalyseur extrêmement efficace dans ce genre de réactions [22]. Mécanisme dans le cas des halogénures d'acyles Il s'agit d'un mécanisme par addition-fragmentation. La réaction ressemble à celle vue avec les alcools. L'étape cinétiquement déterminante est la formation de l'intermédiaire tétraédrique. Ce dernier subit une fragmentation quasiment non renversable avec départ de l'ion halogénure. • addition nucléophile ;

fragmentation de l'intermédiaire tétraédrique ;

l’ion acylaminium est ensuite déprotoné par une base comme la pyridine.

Le rôle de la pyridine est double : • elle neutralise l'acide formé ; • il s'agit d'un catalyseur nucléophile qui forme un adduit intermédiaire (I) avec le chlorure d'acyle. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Notons que l'acylation des amines tertiaires s'arrête au stade de l'ion acylaminium intermédiaire car il n'y a pas d’atome d’hydrogène sur l'azote. Les deux étapes sont alors équilibrées. En présence d'un excès d'eau, l'ion redonne l'amine et l'acide carboxylique parent du chlorure d'acyle. Catalyse par la DMAP La N, N-diméthylaminopyridine (DMAP), est utilisée pour accélérer les réactions d'acylation des alcools et des phénols ainsi que dans certaines hydrolyses. Il s'agit d'un catalyseur très efficace même dans les réactions intramoléculaires difficiles comme les macrolactonisations et les macrolactamisations. La DMAP est également utilisée comme catalyseur de la réaction de BaylisHillman.

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A la température ordinaire la DMAP se présente sous la forme d'un solide blanc, fondant à 111,6 °C. Il s'agit d'un composé toxique, à manipuler avec précautions. La DMAP est largement utilisée au laboratoire et en synthèse comme catalyseur nucléophile.

Il s'agit d'une catalyse nucléophile dont le principe est le même qu'avec la pyridine. La plus grande efficacité de la DMAP par rapport à cette dernière, peut être interprétée par le fait que l'azote pyridinique possède une charge négative élevée comme en témoignent les formes mésomères suivantes :

Le mécanisme de catalyse par la DMAP est donné ci-dessous.

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Dérivés chiraux de la DMAP Des dérivés chiraux de la DMAP utilisant un groupement ferrocénique ont été préparés très récemment [31]. Ils servent de catalyseurs dans différents types de transformations : • dédoublement cinétique dynamique d'alcools énantiomères ; • synthèse énantiosélective de Staudinger des blactames. Protection régénération Les amides peuvent être hydrolysés en milieu acide ou en milieu basique dans des conditions assez dures. La transformation d'un groupe amino en groupe acétamido constitue un moyen de protection du groupe amino. Exemple : la synthèse de l'acide amino-3-benzoïque peut être effectuée par oxydation du groupe méthyle de la 3-méthylaniline mais les amines aromatiques étant très sensibles à l'oxydation, la réaction directe est impraticable. Il faut au préalable effectuer la protection du groupe amino : • protection de la fonction amine ; Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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oxydation du groupe méthyle ;

régénération du groupe amino par hydrolyse de l’amide en milieu acide ou basique.

Le groupement N-t-butoxycarbonyle introduit à partir du chlorure de t-butoxycarbonyle, un chlorure d'acyle, ou de l'anhydride correspondant, est utilisé comme groupe protecteur des fonctions amines primaires et secondaires. La réaction sert couramment à protéger un aminoacide dans une synthèse peptidique.

Le groupe est stable vis à vis des bases. La fonction amine est régénérée par hydrolyse acide. Synthèse du Nylon 6-6 Le Nylon 6-6 est un polyamide artificiel. Sa synthèse a été réalisée par le chimiste américain W. H. Carothers (du Pont de Nemours). Dans l'industrie, on le prépare par réaction entre l'acide hexanedioïque (acide adipique) et le diamino-1,6-hexane (hexaméthylène diamine) à 280 °C. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 82


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Une préparation plus commode au laboratoire consiste à remplacer l'acide adipique par le chlorure d'acyle correspondant [2]. Un polyamide voisin est appelé Nylon 6. Il est préparé par polymérisation du caprolactame. Le nylon est utilisé comme fibre textile ainsi que dans la fabrication de pièces mécaniques (paliers, engrenages etc.) Parmi les nombreuses anecdotes concernant l'origine du nom choisi par Carothers, l'une d'elles probablement apocryphe, est à mettre en relation avec le fait qu'à l'époque une bonne partie de la soie provenait du Japon. Nylon serait constitué des premières lettres de la phrase : Now You're Lost Old Nippons.

D'autres polyamides ont acquis une grande importance ces dernières années : les polyaramides dont le représentant le plus connu est le kevlar. Ce dernier allie une grande résistance mécanique et une masse volumique faible. On l'utilise dans la fabrication des gilets pare-balles. Synthèse de Bischler-Napieralski L'acylation de la b-phényléthylamine par un chlorure d'acyle est la première étape d'une réaction permettant de préparer les quinolidines substituées connue sous le nom de réaction de BischlerNapieralski. Il s'agit d'une synthèse mettant en jeu plusieurs étapes qui possède plusieurs points communs avec la réaction de Vilsmeier-Haack.

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La réaction de Bischler-Napieralski a été appliquée avec succès à la synthèse de la papavérine alcaloïde quinolidinique extrait du pavot (papaver somniferum). Ce composé est utilisée en médecine comme antispasmodique. Lorsqu'on incise les capsules de pavot somnifère (papaver somniferum), celles-ci exsudent un liquide laiteux. Après séchage, il conduit à une résine brune qui constitue l'opium. L'opium contient de nombreux alcaloïdes : codéine, papavérine, laudanosine, morphine. La morphine (du grec Morphée : Dieu du sommeil) est l'alcaloïde le plus important de l'opium qui en contient jusqu'à 23 %. Isolée par F. Sertüner, sa structure a été établie en 1925 par J. M. Gulland, R. Robinson et C. Schöpf. Il s'agit de l'un des antalgiques les plus puissants connus.

Le schéma de la synthèse est donné ci-dessous. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Sulfonylation Bilan La réaction entre un halogénure d'acide sulfonique et une amine primaire ou secondaire fournit une sulfonamide.

Les sulfonamides issus d'amines primaires possèdent un atome d'hydrogène mobile. Elles réagissent en milieu basique pour donner un composé ionique soluble en milieu aqueux.

Cette réaction est à la base du test de qui permet la distinction des trois classes d'amines. Test de Hinsberg Ce test est basé sur la solubilité de la sulfonamide quand elle existe en milieu basique. Un mode opératoire pour la réalisation de ce test est détaillé à la référence [3]. Les résultats sont résumés dans le tableau ci-dessous. Classe de l’amine

primaire

secondaire

tertiaire

Solubilité sulfonamide

oui

non

pas de sulfonamide

Réactions avec les composés carbonylés Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Imines Synthèse des imines et des ions iminium L'addition d'une amine primaire sur un composé carbonylé conduit, par une réaction équilibrée, à un amino-alcool peu stable. La réaction est catalysée en milieu acide. Cependant le pH ne doit pas être trop bas sinon l'amine est protonée et l'addition nucléophile ne se produit plus.

Les amino-alcools se déshydratent facilement en milieu acide pour donner des imines encore appelées bases de Schiff en souvenir du chimiste d'origine allemande Ugo Schiff qui les a étudiées [64].

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Les imines peuvent être regardées comme les analogues azotés des composés carbonylés. Elles possèdent comme ces derniers une liaison double polarisée. On peut donc prévoir qu'elles donneront lieu à des réactions d'addition. Les imines dérivant de l'ammoniac sont instables. Si l'on fait réagir le méthanal avec l'ammoniac on obtient un composé cristallin de couleur blanche : l'hexaméthylènetétramine (HMTA). Au cours de cette réaction, l'aldimine intermédiaire, instable, ne peut pas être isolée.

Le Tétraazatricyclo[1,1,3,3,7,7]décane ou hexaméthylènetétramine(HMTA) est un composé curieux rappelant la molécule d'adamentane. A la température ordinaire, il se présente sous la forme de cristaux blancs, solubles dans l'eau, qui fondent à 280 °C. L'HMTA est utilisé en médecine comme antiseptique sous le nom d'urotropine (étym : qui fait bouger l'urée) en raison de ses propriétés diurétiques. La réaction de déshydratation est favorisée lorsque le composé obtenu est fortement conjugué comme dans la synthèse de la diphénylquinoxaline D [6].

Les amines secondaires donnent des ions iminium.

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Benzodiazépines Les benzodiazépines sont des composés psychoactifs, anxiolytiques et hypnotiques. Elles sont utilisés notamment en anesthésie. L'analyse rétrosynthétique des benzodiazépines [1,4] montre qu'on peut les obtenir en créant une imine et un amide.

L'amidification est souvent réalisée en utilisant l'aminolyse d'un ester comme le glycinate de méthyle. L'étape de cyclisation est la formation de l'imine. L'exemple ci-dessous constitue une étape de la synthèse du diazepam.

Les autres benzodiazépines [1,4] sont obtenues à partir d'amino-benzophénone judicieusement substituées. Ligand salen, complexes de Jacobsen La synthèse du composé salen-H2 constitue un autre exemple de réaction de ce type. Cette imine joue le rôle de ligand vis à vis du cobalt (II) dans un complexe capable de fixer le dioxygène de façon réversible.

Ce type de complexes fait, à l'heure actuelle, l'objet de recherches approfondies car on pense qu'ils pourraient servir de composés modèles pour la préparation de sang artificiel. Une synthèse du composé salen-H2 est décrite dans [11].

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Des complexes métalliques utilisant des ligands salen diversement substitués, ont été synthétisés assez récemment par E. Jacobsen à Harvard. Ce sont des catalyseurs efficaces de plusieurs réactions intéressantes en synthèse asymétrique : • l'époxydation énantiosélective des composés éthyléniques est réalisable en utilisant un complexe du Mn (III) et un ligand chiral de symétrie C2 dérivé du salen ;

l'ouverture énantiosélective d'époxydes avec [Cr(salen)]. Réduction des imines La formation d'une imine suivie de son hydrogénation in situ, constitue une méthode d'alkylation douce des amines appelée amination réductive. •

Lorsque la réaction est effectuée en utilisant l'ammoniac comme composé azoté, il s'agit d'une synthèse d'amine primaire à partir d'un composé carbonylé.

Un excellent réactif permettant la réduction des imines est NaCNBH3. Utilisé à pH 6-7, il ne réduit pas le groupe carbonyle des aldéhydes et des cétones, ce qui permet l'amination réductive [40]. En revanche, ce réactif réduit les carbonylés à pH 3-4. Le contrôle du pH est donc crucial dans cette réaction. Addition des organométalliques L'addition d'un organomagnésien sur une imine substituée suivie d'une hydrolyse de l'adduit constitue une méthode de synthèse d'amines secondaires. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Réaction d'Eischweiler-Clark Il s'agit d'une méthylation des amines primaires et secondaires au moyen du mélange méthanalacide méthanoïque (acide formique). La réaction procède en deux étapes. Raisonnons dans le cas d'une amine secondaire. • Il se forme dans un premier temps un ion iminium.

L'acide méthanoïque réduit cet ion iminium par transfert d'un ion hydrure.

Finalement l'amine de départ a été méthylée sur l'atome d'azote. Réaction de Mannich La réaction de Mannich consiste en l'addition d'un atome de carbone nucléophile sur un ion ion iminium formé in situ. Le réactif nucléophile est l'énol d'un composé carbonylé ou d'un phénol. La réaction est facilitée lorsque l'ion iminium est issu de la condensation entre le méthanal et une amine primaire ou secondaire car dans ce cas l'atome de carbone du réactif est très électrophile. Le schéma rétrosynthétique est le suivant :

Examinons un exemple : la suite des réactions est la suivante : • formation de l'ion ion iminium (sel d' Eschenmoser) ;

équilibre de tautomérie entre le composé carbonylé et son l'énol ;

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réaction d'addition entre l'énol et l'ion ion iminium.

Les composés obtenus, appelés bases de Mannich, peuvent subir par chauffage une élimination conduisant à une a-énone.

La réaction précédente est donc particulièrement utile pour la préparation de ce type de composés qui constituent des substrats de départ dans plusieurs synthèses. La réaction de Mannich a été utilisée dans de nombreuses synthèses de composés appartenant à la famille des alcaloïdes. L'exemple suivant est une étape de la synthèse de la strychnine par R. B. Woodward.

Application de la réaction de Mannich à la synthèse de la tropinone La tropinone est une molécule bicyclique dont on retrouve le squelette dans de nombreux alcaloïdes. On peut l'obtenir par dégradation de l'atropine présente à l'état naturel dans la belladone.

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L'hyosciamine est l'un des principaux alcaloïdes d'une plante herbacée appelée atropa belladonna (Belladone). Ses décoctions possèdent la propriété de dilater la pupille de l'oeil. Elles étaient utilisées au XVIII ème siècle par les femmes italiennes pour augmenter la profondeur de leur regard. Le nom de Belladone vient de bella donna qui signifie jolie femme en italien. Le mélange racémique de l'hysociamine et de son énantiomère est appelé atropine. Il est utilisé comme antidote de certains gaz de combat car il agit comme inhibiteur des récepteurs parasympathiques. Son mécanisme d'action s'explique par sa fixation sur les récepteurs de l'acétylcholine dans le système nerveux central et périphérique. C'est le médicament de référence contre le malaise vagal. La synthèse de la tropinone fut réalisée par le chimiste allemand R. Willstäter en 1901 (prix Nobel de chimie 1915, [27]). On la considère généralement comme l'une des premières synthèses d'une molécule complexe. Elle comportait 15 étapes et le rendement global était inférieur à 1 %. Au cours de son étude remarquable des alcaloïdes qui devait le rendre mondialement célèbre et lui valoir le prix Nobel de chimie en 1947, le chimiste britannique R. Robinson (Université d'Oxford, [28]) en a donné une synthèse en 1917 qui est devenue un classique. Elle est basée sur une double réaction de Mannich. Il s'agit d'un exemple de réaction domino (ou réaction en cascade) car les évènements se déroulent les uns à la suite des autres sans qu'il soit nécessaire d'isoler un composé intermédiaire [43].

Le mécanisme de la réaction est donné ci-desssous : La réaction entre le succinaldéhyde et la méthylamine fournit un aminoalcool qui se cyclise spontanément.

Le composé obtenu perd de l'eau en milieu acide pour conduire à un ion iminium.

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L'énol du diacide réagit sur l'ion iminium.

Formation à nouveau d'un ion iminium.

Suivi d'une deuxième réaction de Mannich.

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Le b-céto acide formé subit une décarboxylation thermique.

En milieu biologique les alcaloïdes de la famille de la tropinone comme la cocaïne ou la scopolamine sont synthétisés selon une voie comparable. On donne le nom de synthèse biomimétique à l'ensemble de procédés synthétiques dont l'objectif est de reproduire en laboratoire les réactions observées dans le domaine vivant. Enamines Origine Les énamines peuvent être considérées comme les analogues azotés des énols et des éthers d'énols. Les énamines possédant un atome d'hydrogène sur l'azote (énamines primaires et secondaires) sont peu stables et se réarrangent en imines.

L'équilibre entre énamine (I) et imine (II) constitue un exemple de tautomérie dont le mécanisme est comparable à celui de la tautomérie céto-énolique.

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L'exemple ci-dessous concerne une énamine primaire.

Les énamines tertiaires ne possèdent pas d'atome d'hydrogène lié à l'azote et ne peuvent pas donner lieu à l'équilibre de tautomérie. Synthèse des énamines On prépare les énamines par réaction entre une amine secondaire et un composé carbonylé possédant un atome d'hydrogène sur l'atome de carbone en a du carbonyle en présence d'un catalyseur comme l'APTS. Le mécanisme suivant concerne la synthèse d'une énamine tertiaire en présence d'un catalyseur noté BH+.

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L'équilibre n'est pas favorable au produit. Une méthode couramment utilisée pour déplacer l'équilibre, consiste à éliminer l'eau du milieu réactionnel par distillation azéotropique en utilisant un décanteur de Dean-Stark. On trouvera des protocoles opératoires aux références [7] et [29]. Les énamines sont stables en milieu basique et peuvent être utilisées dans certains cas comme groupement protecteur de la fonction carbonyle. Le traitement de l'énamine par un excès d'eau en présence d'une quantité catalytique d'acide fournit l'amine et le composé carbonylé parents. L'exemple ci-dessous concerne la réaction entre la cyclohexanone et la pyrrolidine.

Les énamines sont des intermédiaires très utilisés en synthèse organique. Comme le montrent les formes mésomères ci-dessous, une charge négative peut se développer sur l'atome de carbone situé en b de l'azote.

Les énamines sont des nucléophiles qui peuvent réagir avec des substrats électrophiles acylant ou alkylant. Acylation La réaction entre une énamine et un agent acylant assez réactif comme un chlorure d'acyle permet la synthèse de systèmes dicarbonylés 1, 3. Un mode opératoire de la réaction suivante se trouve à la référence [12].

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Alkylation des cétones La méthylation des cétones sur l'atome de carbone en a du carbonyle pose un problème de régiosélectivité. La réaction par union directe de la cétone et d'un réactif alkylant comme l'iodométhane fournit un mélange de cétone mono et polysubstituée. Pour pallier cette difficulté plusieurs méthodes ont été proposées. L'une d'elles, mise au point par le chimiste américain d'origine belge G. Stork, consiste à utiliser une énamine comme intermédiaire.

L'énamine réagit avec un équivalent de dérivé halogéné pour fournir un ion iminium.

Ce dernier, traité par l'eau, conduit à la cétone alkylée.

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L'ion iminium (I) ne possède pas d'atome de carbone nucléophile. Le problème de la suralkylation ne se pose pas. La technique est également applicable avec des agents alkylants suffisamment réactifs comme les halogénures allyliques ou benziliques. Avec des agents alkylants de moyenne réactivité comme l'iodure d'éthyle c'est surtout la N-alkylation qui prédomine. Une autre méthode d'alkylation régiosélective des cétones consiste à mettre à profit les propriétés des éthers de silyle. Régiosélectivité La réaction entre la méthylcyclohexanone et la pyrrolidine fournit l'énamine possédant la liaison double la moins substituée (A) à l'exclusion de son isomère (B). La régiosélectivité de l'élimination est donc opposée à celle qu'on aurait si la règle de Zaytsev était suivie.

L'examen des molécule (A) et (B) fournit l'explication de la régiosélectivité observée. La conjugaison entre le doublet de l'atome d'azote et la double liaison impose que les atomes impliqués soient dans un même plan. Cette condition n'est pas réalisée dans (B) du fait de la forte répulsion entre le groupe méthyle orienté de façon pseudo-axiale et un groupe méthylène du cycle [41].

Réduction des énamines Les énamines peuvent être réduites par hydrogénation catalytique. NaBH4 ne réagit pas directement avec elles. En revanche ce réactif réduit rapidement les ions iminium obtenus en traitant l'énamine en milieu acide. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 99


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Nitrosation Formation de l'électrophile La nitrosation est la réaction entre une amine et l'acide nitreux HNO2. Ce dernier est un composé instable vis à vis de sa dismutation en NO3- et NO. Il est préparé dans le milieu réactionnel en acidifiant une solution de nitrite de sodium par l'acide chlorhydrique. La véritable entité électrophile est le cation nitrosonium NO+ qui est impliqué dans les équilibres suivants :

On peut donner une description de l'ion NO+ en utilisant la méthode de la mésomérie. Elle met en évidence l’azote électrophile.

La nature du produit obtenu dépend de la classe de l'amine. Amines On obtient une N-nitrosoamine.

secondaires

Les N-nitrosoamines sont des composés cancérigènes. Un exemple de synthèse est celui de la diphénylnitrosamine [6]. Amines primaires • Cas général Il se forme un ion diazonium.

Les ion ions diazonium sont peu stables car le diazote est un excellent nucléofuge. On obtient un carbocation susceptible de donner lieu à plusieurs réactions selon le milieu. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Notons que sels de diazonium sont explosifs à l'état solide. • Amines non aromatiques Avec une amine non aromatique, l'ion diazonium n'est pas stable. Sa décomposition spontanée fournit un dégagement de diazote, molécule très stable et qui est un excellent nucléofuge. Le carbocation obtenu, très réactif, peut évoluer de nombreuses façons ce qui conduit à un mélange complexe de produits de substitution et d'élimination. Le tableau ci-dessous regroupe les différents composés issus de la désamination nitreuse de la butylamine. butan-1-ol

butan-2-ol

1-chlorobutane

2-chlorobutane

25 %

13 %

5%

3%

but-1-ène

but-2-ène (Z et E)

26

10

(la somme des pourcentages n’est pas égale à 100 car il se forme des traces d’autres composés). • Amines primaires aromatiques Les solutions d'ions diazonium des amines aromatiques peuvent être conservées plusieurs heures à 0 °C.

Le mécanisme est le suivant.

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On peut rendre compte de la relative stabilité des ions diazonium en utilisant la méthode de la mésomérie.

Application : réaction d'agrandissement de cycle de Demyanov La réaction de désamination nitreuse peut être mise à profit pour réaliser des agrandissements de cycles grâce à des transpositions de carbocations (réaction de Demyanov).

Lors de la désamination il y a migration de la branche du cycle en position anti par rapport à la liaison C-N qui se rompt.

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Réaction des ions diazonium aromatiques Couplage diazoïque Les ions diazonium réagissent comme électrophiles dans la réaction de substitution aromatique.

L'exemple suivant concerne la synthèse de l'hélianthine [6].

Le couplage peut être intramoléculaire. Le benzotriazole peut être préparé par la réaction suivante [6] :

Utilisation de l'hélianthine comme indicateur coloré L'hélianthine ou orange de méthyle se présente sous la forme d'un composé solide de couleur orange soluble dans l'eau (I).

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I II III Pour pH > 4,4 l'hélianthine existe sous forme non protonée. La molécule absorbe dans la région violette du spectre. La solution, qui possède la couleur complémentaire, est jaune (II). En milieu plus acide, l'azote du groupe diazo est protoné. La molécule forme un système qui est davantage conjugué et la bande d'absorption est déplacée vers le vert. La couleur de la solution vire au rouge (III). Réduction On utilise un réducteur comme EtOH ou H3PO2.

La réaction constitue une méthode de désamination des cycles aromatiques. Elle peut être très utile afin d'éliminer un groupe amino dont on a utilisé temporairement le caractère activant et orienteur. L'exemple de la synthèse du 1,3,5-tribromobenzène [6] témoigne de cette façon de procéder :

Substitution nucléophiles • Dérivés iodés Il s’agit d’une méthode d’iodation des cycles aromatiques. Rappelons que l’iodation d'un cycle aromatique par substitution électrophile n'est pas facilement réalisable(il faut utiliser un mélange de diiode et d'acide nitrique afin de former une petite quantité d'iode cationique.)

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On trouvera un mode opératoire de la synthèse de l'iodobenzène par cette méthode à la référence [2]. L'acide 2-iodobenzoïque peut être préparé par la suite réactionnelle suivante :

Il constitue un point de départ dans la synthèse du réactif de Dess-Martin, un composé permettant l'oxydation d'un alcool en composé carbonylé. L'iodation d'un cycle aromatique intervient également dans la synthèse de la thyroxine. • Dérivés fluorés Dans la réaction de Balz-Schiemann, on utilise NaBF4 pour former le tétrafluoroborate de diazonium. Ce dernier, chauffé à sec, fournit le composé fluoré recherché. Notons que cette voie d'accès aux dérivés fluorés aromatiques doit être pratiquée avec précaution car les sels de Schiemann sont des composés explosifs dont la manipulation exige un protocole précis.

• Passage aux phénols Le groupe -OH ne peut pas être introduit sur un cycle aromatique par une substitution électrophile. Une synthèse utile des phénols passe par l'intermédiaire des ions diazonium. Rappelons qu'on peut aussi synthétiser certains phénols par un mécanisme de substitution nucléophile aromatique lorsque le substrat comporte un cycle fortement désactivé.

• Mécanisme Du point de vue mécanistique, ces réactions sont des substitutions nucléophiles monomoléculaires SN1.

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Le cation aryldiazonium intermédiaire se décompose pour donner un cation aryle et du diazote, petite molécule très stable, qui constitue l'un des meilleurs nucléofuges connus. C'est l'étape cinétiquement déterminante de la réaction.

Le cation aryle extrêmement réactif réagit avec tout nucléophile présent dans le milieu réactionnel.

La réaction entre les ions diazonium et les ions iodure peut aussi suivre un mécanisme différent. Dans ce mécanisme radicalaire en chaîne, il y a formation de radicaux aryles. Couplage radicalaire, réaction de Sandmeyer • Dérivés bromés, chlorés La réaction suit un mécanisme radicalaire. Les réactifs utilisés sont des halogénures de cuivre (I) : CuBr, CuCl.

Dérivés cyanés La réaction est comparable aux précédentes. L'halogénure est remplacé par du cyanure de cuivre (I) CuCN. on prépare ainsi le benzonitrile. •

Elimination-décarboxylation La diazotation de l'acide anthranilique suivie d'une élimination de N2 et de CO2 constitue une méthode douce de préparation du benzyne.

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Substitution électrophile sur les amines aromatiques Activation, régiosélectivité L'aniline réagit beaucoup plus vite que le benzène dans les réactions de substitutions électrophiles. Le groupe -NH2 est activant et oriente en ortho-para. Bromation La bromation de l'aniline peut s'effectuer très facilement. Le groupe amino est tellement activant qu'il suffit de mélanger l'aniline et une solution aqueuse de brome, pour obtenir immédiatement un précipité blanc de tribromoaniline.

On peut réaliser une monobromation indirecte du cycle en préparant au préalable la Nphényléthanamide (acétanilide). Puisque le groupe acétamido est moins activant et plus encombrant que le groupe amino obtient la parabromoacétanilide (pF = 167 °C) dont l'hydrolyse fournit le composé recherché.

Nitration La nitration directe de l'aniline est impossible car l'acide nitrique oxyde le groupe amino. Pour s'affranchir de cette difficulté, on utilise un groupe protecteur. • On commence par préparer la N-phényléthanamide par réaction entre l'aniline et le chlorure d'éthanoyle, ce qui permet la protection du groupe amino. On effectue ensuite la nitration de la N-phényléthanamide. Le groupe acétamido oriente la substitution électrophile en ortho et para. Des deux isomères qui peuvent a priori se former, le dérivé para est majoritaire car la position ortho est plus encombrée que la position para. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Il ne reste plus qu'à hydrolyser l'amide en milieu acide ou basique afin de régénérer le groupe amino. La 4-nitroaniline est un solide de couleur jaune (pF = 148 °C).

Réaction des amines tertiaires aromatiques avec l'acide nitreux Avec les amines tertiaires aromatiques, l'acide nitreux en milieu acide conduit à une substitution électrophile sur le cycle. L'entité électrophile est l'ion nitrosonium :

le mécanisme est le suivant :

Comme on l'a vu plus haut, la structure de l'ion NO+ peut être décrite par méthode de la mésomérie. Elle met en évidence l’azote électrophile. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Rappelons qu'avec les amines primaires, l'action de l'acide nitreux conduit à union diazonium. Avec les amines secondaires, on obtient des N-nitrosoamines. Un mode opératoire est décrit à la référence [6]. Formylation de Vilsmeier-Haack La réaction de Vilsmeier-Haack constitue une méthode de formylation des amines aromatiques N, Ndisubstituées et de certains hétérocycles comme le pyrrole. On peut la regarder comme une extension de la réaction de Mannich. La préparation du réactif de Vilsmeier est donnée ci-dessous.

La force motrice de la réaction est la formation d'une liaison P-O de grande énergie de liaison.

L'ion iminium n'est pas un électrophile très puissant. La réaction a lieu essentiellement avec les composés aromatiques activés. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Oxydation des amines Oxydation des amines tertiaires Les amines sont des composés assez sensibles à l'oxydation. Les produits de réaction dépendent de la classe de l'amine et de la nature de l'oxydant utilisé. La réaction la plus importante concerne les amines tertiaires. Les oxydants utilisés sont le mCPBA, peroxyde d'hydrogène ou encore l'acide peroxymonosulfurique (acide de Caro).

Certains oxydes d'amines sont utilisés comme agents d'oxydation. Le N-oxyde de Nméthylmorpholine (NMO) est utilisé comme cooxydant dans la syn-dihydroxylation vicinale des composés éthyléniques par le tétroxyde d'osmium. Réaction de Polonovski La réaction de Polonovski (Max et Michel Polonovski 1927) met en jeu un oxyde d'amine et un anhydride d'acide comme l'anhydride acétique. Le produit de la réaction est un amide N,Ndisubstitué et un aldéhyde (le méthanal si l'oxyde d'amine de départ comporte un substituant méthyle).

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La modification introduite par P. Potier, consiste à remplacer l'anhydride acétique par l'anhydride trifluoroacétique. Les conditions expérimentales sont beaucoup plus douces. Cette réaction est très utile pour déméthyler des amines tertiaires dans la série des alcaloïdes. Elle a joué un rôle important dans l'hémisynthèse de molécules d'intérêt thérapeutique comme la vinorelbine.

L'oxyde d'amine réagit suivant un mécanisme d'addition-élimination sur le dérivé d'anhydride d'acide.

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La réaction a été modifiée par le chimiste français Pierre Potier (CNRS, Institut de Chimie des Substances Naturelles de Gif) qui a remplacé l'anhydride acétique par l'anhydride trifluoroacétique. Il l'a ensuite mise à profit pour modifier le squelette de molécules appartenant à la famille des alcaloïdes [37]. Application de la réaction de Polonovski-Potier à l'hémisynthèse de la vinorelbine "La chimie est à la biologie ce que le solfège est à la musique" Pierre Potier.

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La vinorelbine (commercialisée sous le nom de Navelbine®) est un médicament utilisé en chimiothérapie anticancéreuse. Sa synthèse s'effectue à partir de deux molécules extraites de la pervenche de Madagascar (Canthareus roseus) : la catharanthine et la vindoline. Le couplage chimique de ces sous-unités conduit dans un premier temps à l'anhydrovimblastine qui est ensuite transformée en vinorelbine par une suite de réactions dont l'étape clé est la réaction de Polonovski-Potier. Il faut extraire environ 20 tonnes de feuilles séchées pour produire 1 kilogramme du médicament [42]. Les réactions reportées ci-dessous concernent la préparation de la vinorelbine à partir d'un intermédiaire obtenu par hémisynthèse : l'anhydrovinblastine (voir encadré ci-dessus).

Les différentes étapes de la transformation sont résumées ci-dessous. Le substrat de départ comporte un cycle à 9 chainons tandis que dans la molécule cible, le cycle correspondant n'en comporte que 8. Réaction entre l'oxyde d'amine et l'anhydride d'acide.

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Clivage de la liaison carbone-carbone avec formation d'un ion iminium. La réaction est facilitée par le départ de F3CO2-. Notons que l'atome d'azote quinolique participe au mécanisme.

L'hydrolyse de l'ion iminium conduit à l'amine et au méthanal.

L'addition nucléophile de l'azote sur la double liaison conjuguée permet la cyclisation.

Comme on le voit, la transformation permet de passer d'un hétrocycle de 9 chainons à un hétérocycle à 8 chainons. Elimination de Cope des oxydes d'amines L'une des réactions importante des oxydes d'amines est l'élimination de Cope qui conduit aux composés éthyléniques. Il s'agit d'une b-élimination. L'atome d'oxygène de l'oxyde joue le rôle de base tandis que l'atome d'azote positif est le nucléofuge. La réaction possède l'avantage d'être stéréospécifique de stéréochimie syn. L'exemple suivant concerne la préparation du méthylènecyclohexane [24]. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Une réaction d'élimination à partir du 1-méthylcyclohexanol ne fournirait le méthylenecyclohexane que comme produit très minoritaire car cette réaction fournit le composé éthylénique le plus substitué. Notons que le méthylènecyclohexane peut également être préparé grâce à la réaction de Wittig. La pyrolyse des esters et celle des xanthogénates sont des réactions d'élimination syn qui conduisent également à des composés éthyléniques. Oxydation de l'aniline L'oxydation de l'aniline dépend de l'agent oxydant utilisé : • Avec CrO3, on obtient la benzoquinone.

On peut aussi utiliser un peroxyacide comme CF3CO3H, le groupe amino est oxydé en groupe nitro.

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• Les aldéhydes : Acétalisation : L'acétalisation est une réaction réversible permettant de transformer un composé carbonylé et deux alcools (ou un diol) en acétal. Cette réaction permet en fait de protéger le groupe carbonyle, ou l'alcool. Réaction :

Conditions : Chauffage Catalyse acide (en général APTS) Caractéristiques et remarques : Quand on utilise un aldéhyde, on nomme le produit obtenu "acétal". Quand on utilise une cétone, on nomme le produit obtenu "cétal". Cependant, de plus en plus on utilise le terme acétal comme terme générique pour désigner les 2 produits. On appelle par contre toujours la réaction (aussi bien pour les aldéhydes et pour les cétones) "acétalisation" Cette réaction est en général en faveur de l'acétal (contrairement aux cétals). Si on veut la favoriser dans ce sens, on utilise un excès d'alcool (qui sert par la même occasion de solvant), on peut aussi distiller l'eau (distillation hétéroazéotropique) à l'aide de l'appareil de Dean et Stark. Pour favoriser la réaction inverse, c'est le contraire: on met un excès d'eau pour hydrolyser l'acétal. Quand on veut protéger la fonction carbonyle, on utilise le plus souvent un diol, comme l'éthane-1,2diol :

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Cette réaction peut aussi très bien servir à protéger une fonction alcool, en particulier les diols vicinaux. Dans certains cas, la réaction peut s'arrêter à l'hémiacétal (cas des hémiacétals cycliques). Action d'un organomagnésien : Un organomagnésien mixte réagit sur un aldéhyde pour former un alcool secondaire ( →réaction). Réaction de Wittig : La Réaction de Wittig transforme une aldéhyde en dérivé éthylènique. Il transforme en fait la liaison C=O en liaison C=C. Réduction des aldéhydes : En alcools : Industriellement : On utilise le dihydrogène H2 dans un solvant inerte, en présence d'un catalyseur (catalyse hétérogène) . Il s'agit bien souvent de métaux, comme le platine (Pt), le palladium (Pd), le nickel (Ni) ou le rhodium (Rh). Si jamais l'aldéhyde possède aussi une liaison C=C, celle-ci aussi est hydrogénée (la réaction est plus facile sur C=C que sur C=O). la réaction est exothermique. Par les hydrures : En alcane : Réduction de Clemmensen Réduction de Wolff-Kishner

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• Les cétones : Formation : On obtient les cétones avec une oxydation ménagée d'un alcool secondaire. Cela nécessite un fort agent oxydant. Cependant, ici, il n'y a pas de "risque" : une cétone après être formée ne peut plus être oxydée, contrairement à l'aldéhyde, qui peut encore l'être en acide carboxylique. Oxydation industrielle : oxydation par O2 de l'air

On peut utiliser comme catalyseur Fe2O3 ou MnO3 à 400 °C, ou un catalyseur à base d'argent vers 600 °C. Déshydrogénation catalytique des alcools secondaires L'alcool est gazeux. On utilise comme catalyseur CuO vers 400 à 500 °C, Ag, Cu vers 300 °C, ZnO ou encore ZrO vers 300 à 400 °C. Procédé de Wacker-Hœchst Oxydation chimique : On utilise souvent le dichromate de potassium, ou le Cr(VI) (via du PCC par exemple) , mais le réactif le plus couramment utilisé est le réactif de Jones : CrO3 en présence d'acide sulfurique dans l'acétone. Parfois, si la présence d'un acide est gênante, on utilise le réactif de Sarett : CrO3 dans la pyridine.

Hydrolyse des alcynes : En ajoutant de l'eau à un alcyne en milieu acide, un groupement carbonyle se formera sur le carbone porteur de la triple liaison ayant le moins d'hydrogènes (règle de Markovnikov), à condition d'avoir Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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du mercure oxydé +2 comme catalyseur (Hg2+). L'autre carbone porteur de la triple liaison sera réduit en gagnant deux atomes d'hydrogène.

Par ozonolyse des alcènes : L'ozonolyse consiste à traiter un réactif à l'ozone et à l'eau. Ici, l'alcène subit une ozonolyse pour former un groupement carbonyle, à condition d'avoir comme catalyseur de l'acide éthanoïque (ou acide acétique) et du zinc oxydé +2 (Zn2+). Ceci forme un intermédiaire cyclique très instable : l'ozonide, qui se transforme ensuite en cétone ou en aldéhyde. Afin d'obtenir une cétone à partir d'un alcène, au moins un carbone porteur de la double liaison doit être exclusivement lié à d'autres carbones, faute de quoi, un aldéhyde sera formé. La réaction dégage également du peroxyde d'hydrogène. Par exemple, en traitant le 2-méthylbut-2-ène à l'ozone et à l'eau (avec les catalyseurs nécessaires), on obtient la propanone (une cétone), l'éthanal ou l'acétaldéhyde (un aldéhyde) et le peroxyde d'hydrogène.

Par une réaction de Friedel-Craft sur un composé aromatique : Le principe consiste à mettre en présence un benzène avec un chlorure d'acyle et du AlCl3. Le résultat est une cétone fixée sur le benzène et du HCl. Le mécanisme de réaction suit le principe d'une addition électrophile sur un aromatique, d'où la présence d' AlCl3 (acide de Lewis) qui va servir à créer un électrophile (voir Réaction de Friedel-Crafts) Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Utilisation des cétones : Les cétones sont utilisés dans la fabrication de matières plastiques, comme solvants, mais aussi comme colorants en parfumerie et pour les médicaments comme les aldéhydes. Acétalisation : L'acétalisation est une réaction réversible permettant de transformer un composé carbonylé et deux alcools (ou un diol) en acétal. Cette réaction permet en fait de protéger le groupe carbonyle, ou l'alcool. Réaction :

Conditions : Chauffage Catalyse acide (en général APTS ou HCl anhydre) Caractéristiques et remarques : Quand on utilise un aldéhyde, on nomme le produit obtenu « acétal ». Quand on utilise une cétone, on nomme le produit obtenu « cétal ». Cependant, de plus en plus on utilise le terme acétal comme terme générique pour désigner les 2 produits. On appelle par contre toujours la réaction (aussi bien pour les aldéhydes et pour les cétones) « acétalisation ». Cette réaction est en général en défaveur du cétal (contrairement aux acétals). Si on veut la favoriser dans le sens de la formation de celui-ci, on utilise un excès d'alcool (qui sert par la même occasion de solvant). Il faut aussi distiller l'eau (distillation hétéroazéotropique) à l'aide de l'appareil de Dean et Stark. Pour favoriser la réaction inverse, c'est le contraire : on met un excès d'eau pour hydrolyser le cétal. Quand on veut protéger la fonction carbonyle, on utilise le plus souvent un diol, comme l'éthane-1,2diol:

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Cette réaction peut aussi très bien servir à protéger une fonction alcool, en particulier les diols vicinaux. Dans certains cas, la réaction peut s'arrêter à l'hémiacétal (cas des hémiacétals cycliques). Action d'un organomagnésien : Un organomagnésien mixte réagit sur une cétone pour former un alcoolate tertiaire. Le carbone porteur de l'organomagnésien est ajouté sur le carbone porteur du groupement carbonyle. En milieu aqueux, l'alcoolate, base forte, gagne un proton pour former un alcool.

Réaction de Wittig : La réaction de Wittig transforme une cétone en dérivé éthylènique. Il transforme en fait la liaison C=O en liaison C=C. Réaction de Shapiro : Cette section est vide, pas assez détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue ! Réduction des cétones : En alcools : Industriellement : On utilise le dihydrogène H2 dans un solvant inerte, en présence d'un catalyseur (catalyse hétérogène). Il s'agit bien souvent de métaux, comme le platine (Pt), le palladium (Pd), le nickel (Ni) Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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ou le rhodium (Rh). Si jamais la cétone possède aussi une liaison C=C, celle-ci aussi est hydrogénée (la réaction est plus facile sur C=C que sur C=O). Pour éviter cela, il faut effectuer une addition nucléophile d'hydrures. La réaction est exothermique.

Par les hydrures : Voir addition nucléophiles d'hydrures (plus bas). En alcane : Réduction de Clemmensen Réduction de Wolff-Kishner Additions nucléophiles : d'hydrures (LiAlH4, NaBH4) : L'addition d'hydrures permet la réduction de l'oxygène du groupement carbonyle sans toutefois altérer une double liaison (la partie alcène) d'une molécule, comparativement à la simple addition d'hydrogène. Une cétone portant également un alcène, lorsque traitée à un hydrure, produit un alcoolate qui porte un alcène. Cet alcoolate, traité avec un acide faible (comme l'eau) est alors transformé en alcool qui porte un alcène.

d'organométalliques : organomagnésiens mixtes, ou organolithiens. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Cétolisation (condensation de 2 cétones) : Cette section est vide, pas assez détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue ! Oxydation de Baeyer-Villiger : transformation en Ester Hydrazone On peut également obtenir un dérivé carbonylé (cétone ou aldéhyde) par hydrolyse d'une fonction imine, de formule générale RR'C=N, en catalyse acide ou basique. Cette hydrolyse permet par exemple d'obtenir une cétone comme produit final de l'addition d'un réactif de Grignard (organomagnésien mixte) sur un nitrile.

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Les polycopiés de la première année des études de santé • Les carboxyles : Propriétés acido-basiques

Acidité Les acides carboxyliques sont des acides au sens de Brönsted. Ils réagissent avec l'eau pour donner des ions carboxylate et des ions oxonium.

La réaction conduit de façon extrêmement rapide à un état équilibre. La position de cet équilibre est fonction de la constante d'acidité Ka du couple acide-base qui ne dépend que de la nature du couple et de la température. En solution aqueuse diluée, on peut confondre l'activité des espèces avec leur concentration molaire volumique. Ka = [RCO2-].[H3O+]/[RCO2H].C0 (C0 = 1 mol.L-1) Plus Ka est élevée, plus l'acide est dissocié. Pour éviter d'avoir à manipuler des puissances de dix, on pose généralement : pKa = - log Ka A une température donnée, pour une série d'acides, les valeurs des pKa des couples dépendent des caractéristiques structurales de l'acide carboxylique, de la base conjuguée et de leur interaction avec le solvant eau. Voici quelques valeurs numériques concernant les couples impliquant des acides linéaires de C2 en C4 à 298 K : Acide

HCO2H

CH3CO2H

C2H5CO2H

C3H7CO2H

pKa

3,75

4,75

4,88

4,82

Ces résultats sont difficiles à rationaliser car plusieurs phénomènes se superposent : les effets électroniques et les effets de solvant. Dans l'ion carboxylate, la charge négative est stabilisé par résonance. Celle-ci se traduit par l'existence de deux formes mésomères de même poids statistique. Un ion carboxylate est une base beaucoup plus faible qu'un ion alcoolate.

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L'ion formiate est une base plus faible que ses homologues. Cela est interprété généralement par l'effet donneur + I des groupes alkyles liés au carboxylate qui déstabilisent la charge négative de cet ion. Cet effet est sensiblement le même quel que soit le nombre d'atomes de carbone de la chaîne. Le solvant joue un rôle très important du point de vue énergétique mais aussi entropique dans l'organisation des molécules de solvant autour des ions. Lorsqu'on étudie les pKa des différents acides chloroéthanoïques, on observe une décroissance du pKa du couple avec l'augmentation du nombre d'atomes de chlore. Les résultats expérimentaux sont donnés ci-dessous à 298 K : Acide

CH3CO2H

ClCH2CO2H

Cl2CHCO2H

Cl3CCO2H

pKa

4,75

2,87

1,20

0,52

Il est naturellement tentant de mettre en relation la force des acides avec la fragilisation de la liaison O-H dûe à l'effet inductif -I exercé par les atomes de chlore. Cela a souvent été écrit dans le passé. Il importe de bien distinguer la situation en phase gazeuse et celle qu'on rencontre dans un solvant comme l'eau où la solvatation des espèces chargées joue un rôle essentiel. Des mesures faites en phase gazeuse en utilisant une technique de résonance cyclotronique ionique montrent une diminution du pKa du couple quand le nombre d'atomes d'halogène augmente. De plus, pour un même nombre d'atomes d'halogène, le pK diminue quand on passe du fluor à l'iode. On en déduit que l'effet prédominant est la répartition de la charge de l'ion carboxylate sur une structure de plus en plus volumineuse. Cette charge est ainsi de mieux en mieux supportée. En solution aqueuse, on a pu montrer que les effets entropiques liés à l'organisation du solvant autour des ions sont plus importants que les effets électroniques qui interviennent dans les termes enthalpiques [14]. Basicité L'étude par cryoscopie montre que dans l'acide sulfurique concentré, l'acide éthanoïque est complètement protoné. Compte-tenu du pKa voisin de -6 pour le couple acide base correspondant, la protonation ne peut avoir lieu qu'en présence d'acides concentrés dont les couples ont un pKa < 0. La protonation s'effectue de façon préférentielle au niveau de l'atome d'oxygène du groupe Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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carbonyle qui est le plus basique. On peut justifier ce résultat dans le cadre de la théorie des orbitales moléculaires : l'atome d'oxygène du carbonyle est celui pour lequel le coefficient dans la plus haute OM occupée est le plus grand.

On peut également rendre compte de la tendance des acides a être protonés sur le carbonyle, en remarquant qu'on obtient ainsi des formes de résonance de même poids statistique.

Chez les acides présentant un encombrement stérique très important comme l'acide mésitoïque, la protonation s'effectue sur le groupe -OH. Ce phénomène joue un rôle important dans l'estérification de ce type d'acide par un mécanisme inhabituel (AAC1). Propriétés nucléophiles des ions carboxylate Acylation des ions carboxylate Les ions carboxylate sont de bien meilleurs nucléophiles que les acides carboxyliques. La réaction d'un ion carboxylate sur un chlorure d'acyle permet de préparer des anhydrides symétriques ou mixtes.

Alkylation par un dérivé halogéné On peut aussi alkyler les ions carboxylate en utilisant un halogénure d'alkyle primaire ou secondaire. On prépare ainsi des esters. Avec un halogénure tertiaire on observe essentiellement une réaction d'élimination.

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L'exemple suivant constitue un exemple de réaction utilisant une catalyse par transfert de phase.

Méthylation par le diazométhane Une méthode particulièrement douce pour méthyler les ions carboxylate consiste à les faire réagir avec le diazométhane. Le seul sous-produit de la réaction est le diazote qui s'échappe du milieu réactionnel. Cette réaction nécessite des précautions particulières sur le plan expérimental car le diazométhane est un agent méthylant extrêmement toxique.

L'exemple suivant est extrait d'une synthèse de la chaîne latérale du taxol. La réaction s'effectue en deux étapes : le diazométhane est une base forte qui arrache l'atome d'hydrogène de l'acide pour donner l'ion carboxylate ;

celui-ci joue le rôle de nucléophile dans la réaction de substitution suivante qui implique un atome de carbone primaire et un excellent nucléofuge : le diazote.

Une réaction du même type permet la méthylation des alcools. En revanche la réaction entre le diazométhane et un chlorure d'acyle fournit une a-diazocétone. Propriétés nucléophiles des acides Déshydratation des acides La déshydratation des acides en présence d'un déshydratant énergique comme P4O10 conduit aux anhydrides. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La méthode par déshydratation à chaud est surtout intéressante pour les diacides lorsque le risque de décarboxylation ne se présente pas. On prépare ainsi l'anhydride maléique à partir de l'acide maléique. Dans les même conditions, l'acide fumarique dans lequel les groupes acides sont en trans l'un de l'autre ne fournit pas d'anhydride. L'anhydride maléique est un excellent diénophile dans les réactions de Diels-Alder. Il est préparé à l'échelle industrielle par oxydation du benzène.

On obtient de la même façon l'anhydride phtalique à partir de l'acide phtalique.

Une déshydratation de l'acide éthanoïque dans des conditions très drastiques conduit au cétène le plus simple.

Mais la meilleure méthode de préparation des cétènes est l'élimination de HCl à partir des halogénures d'acyles sous l'action d'une base. Passage aux dérivés d'acides La réaction peut être effectuée en utilisant différents agents halogénants. Ces sont les mêmes que ceux qu'on utilise pour transformer les alcools en dérivés halogénés : Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Le chlorure de thionyle SOCl2 est utilisé en présence de pyridine. Le gros avantage de cette réaction tient au fait que les sous-produits de la réaction étant gazeux, sont faciles à éliminer du mélange réactionnel.

La réaction est effectuée avec un excès de chlorure de thionyle et le produit est séparé par distillation fractionnée. Si la température du chlorure d'acyle est proche de celle du chlorure de thionyle, ce dernier est décomposé par l'acide formique :

le trichlorure de phosphore PCl3 est un agent halogénant utile mais qui présente l'inconvénient de donner H3PO3 comme sous-produit qu'il faut ensuite séparer du milieu ;

le pentachlorure de phosphore PCl5 n'est généralement utilisé que pour les acides aromatiques dont la réactivité est moindre. POCl3 est séparé du milieu réactionnel par distillation fractionnée.

le chlorure d'oxalyle est un agent halogénant doux. On trouvera une méthode de préparation du chlorure d'acyle de l'acide oléique à la référence [32]. Réduction des acides Réduction par H2 La réduction du groupe carboxyle par le dihydrogène n'est réalisable que dans des conditions sévères de température et de pression en présence de catalyseurs tels que Ni, Pt ou Ru. On peut donc effectuer l'hydrogénation catalytique sélective d'une double liaison éthylénique en présence d'un groupe carboxyle en choisissant convenablement les conditions expérimentales.

Réduction par LiAlH4 LiAlH4 réduit les acides en alcools. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Expérimentalement, la transformation s'effectue en deux parties : la réaction entre LiAlH4 et l'acide est conduite dans l'éther anhydre. Il y a formation de dihydrogène par réaction entre les ions hydrure et les protons libérés par l'acide. L'hydrure est suffisamment réactif pour réduire l'ion carboxylate. l'alcoolate de lithium est ensuite hydrolysé en milieu acide. On obtient l'alcool. Le bilan de ces réaction est écrit ci dessous :

Cette réaction présente plusieurs inconvénients : elle s'effectue avec dégagement de dihydrogène qui est un gaz dangereusement inflammable ; LiAlH4 est un hydrure qui ne présente aucune sélectivité. Il est souvent préférable d'estérifier la fonction acide et réduire ensuite l'ester obtenu. Réduction par le couple BH3, Me2S Les acides peuvent être réduits en alcools par le couple diborane-diméthylsulfure BH3, Me2S et BF3/Et2. L'un des avantages de cette réaction réside dans la chimiosélectivité du réactif. Une condition importante pour le succès de la réaction est l'absence de double liaison ou de triple liaison carbone-carbone. Celles-ci réagissent en effet avec BH3 pour donner des organoboranes. Dans l'exemple suivant la fonction acide est réduite en alcool. La fonction ester est inaltérée.

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Lorsqu'on réalise ce type de réaction, on doit prendre des précautions sur le plan expérimental car le complexe BH3, Me2S s'enflamme spontanément à l'air. Une application intéressante est la préparation de b-aminoalcools. Cela est illustré par la réduction de la S-phénylalanine en S-phénylalanol.

La réaction du S-phénylalanol avec l'anhydride acétique permet la synthèse de la (S)-4-phénylméthyl2-oxazolidinone. L'alkylation des oxazolidinones permet la préparation de composés énantiopurs par la méthode d'alkylation énantiosélective d'Evans. Additions nucléophiles sur le carbonyle Composés organolithiens L'une des réactions les plus importantes des acides carboxyliques avec les composés organométalliques, est celle avec les organolithiens qui conduit aux cétones. Dans un premier temps, le lithien réagit comme une base en arrachant l'atome d'hydrogène du groupe carboxyle. On obtient un carboxylate de lithium.

L'organométallique, s'il est présent en excès, est suffisamment nucléophile pour réagir sur l'ion carboxylate.

A la température de la réaction, qui est celle de reflux de l'éther, l'intermédiaire tétraédrique est assez stable pour ne pas se décomposer avant l'hydrolyse, le groupe -OLi étant un très mauvais nucléofuge. L'hydrolyse fournit un diol géminé instable qui se transforme en cétone.

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Voici un exemple d'application de cette réaction [27] :

Réactions avec les alcools primaires et secondaires La réaction entre un acide carboxylique et un alcool est appelée estérification de Fischer. Il s'agit d'une réaction lente et limitée nécessitant l'utilisation d'un catalyseur. L'équilibre peut être déplacé en utilisant un appareil de Dean-Stark. Le mécanisme AAC2 de cette réaction a été vu dans le chapitre consacré aux alcools. Les esters d'alcools tertiaires ne sont généralement pas préparés à partir des acides carboxyliques. Dans ce milieu acide, l'élimination prédomine et le rendement est généralement de l'ordre de 4 %. Les esters d'alcools tertiaires peuvent être préparés avec de bons rendement en mettant à profit la nucléophilie des ions alcoolate vis à vis des chlorures d'acyles. On peut aussi les préparer en utilisant des anhydrides d'acides en présence d'un catalyseur par un mécanisme de type AAL1. Les esters de tertiobutyle sont utilisés comme groupe protecteur du groupe carboxyle. Ils sont raisonnablement stables en milieu basique mais se clivent spontanément en milieu acide. Formation de lactones Avec un composé bifonctionnel comportant une fonction acide et une fonction alcool, l'estérification peut avoir lieu de façon intramoléculaire. L'ester cyclique obtenu est appelé lactone. L'équilibre de lactonisation est favorable pour les cycles possédant 5 ou 6 chaînons et les hydroxy-acides correspondants se cyclisent spontanément.

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La synthèse de composés bicycliques est possible dans les cas favorables comme dans cette étape de la synthèse du terpinéol.

La réaction peut impliquer la forme énolique d'un céto-acide comme dans le cas de l'angelica lactone qui peut être obtenue par cyclisation de l'acide 4-oxopentanoïque (acide lévulique).

La synthèse des lactones à grand cycle constitue un enjeu important car, comme on le verra dans le chapitre consacré aux esters, de nombreux composés intéressants commes les antibiotiques de type macrolide présentent de telles structures. Cette synthèse soulève plusieurs problèmes : la fonction acide n'est pas suffisamment réactive pour réagir de façon intramoléculaire sans activation préalable ; la réaction intramoléculaire est en concurrence avec la réaction intermoléculaire. Ainsi l'équilibre suivant est en défaveur de la lactone. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Les réactions de macrolactonisation peuvent s'effectuer avec de bons rendements en activant la fonction acide sous forme d'anhydride et en utilisant de grandes dilutions de façon à minimiser les réactions intermoléculaires. La réduction des lactones fournit des hémiacétals Formation de lactide Dans l'acide lactique les fonctions acide et alcool sont trop proches pour qu'une cyclisation en lactone puisse avoir lieu. En revanche, deux molécules d'acide lactique peuvent réagir entre-elles. On obtient un composé cyclique appelé lactide.

La polymérisation de ce composé conduit à un polymère biodégradable appelé PLA, [31].

Mécanisme AAC1 L'estérification des acides qui présentent un encombrement stérique important au niveau du groupe Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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carboxyle comme l'acide mésitoïque, ne suit pas le mécanisme classique AAC2 de l'estérification de Fischer. L'étude par cryoscopie de solutions d'acide 2, 4, 6triméthylbenzoïque (mésitoïque) dans l'acide sulfurique concentré, montre un abaissement du point de congélation double de celui qu'on obtient avec l'acide acétique. On en déduit qu'il s'est formé 4 particules dans la solution.

Les ions RCO+, sont appelés ions acylium. Ce sont des espèces très électrophiles. On les rencontre dans un autre contexte comme intermédiaires réactifs dans l'acylation des composés aromatiques. Le mécanisme est le suivant :

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Ammoniac et amines non tertiaires La réaction entre un acide carboxylique et une amine ou l'ammoniac conduit à la formation d'un carboxylate d'ammonium ou d'aminium au terme d'une réaction acido-basique.

En série acyclique, la déshydratation des sels d'ammonium n'est utilisée que pour la formation des amides les plus simples comme l'éthanamide.

La formation d'un sel d'aminium bloque le pouvoir nucléophile de l'amine qui n'existe qu'en petite quantité à l'état libre. Le rendement de la réaction est donc faible. Les plupart des amides acycliques sont préparés par acylation des amines ou de l'ammoniac en utilisant des dérivés d'acides.

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L'alkylation du phtalimide est à la base de la méthode de Gabriel de synthèse des amines primaires. Réactions au voisinage du carbonyle Réaction de Hell-Vohlardt-Zelinsky Les acides peuvent être bromés en présence de dibrome et de phosphore rouge.

La réaction s'effectue en plusieurs étapes : la réaction entre le phosphore et le dibrome transforme une partie de l'acide en bromure d'acyle ;

l'énol du bromure d'acyle est bromé dans une deuxième étape ;

le bromure d'acyle a-bromé réagit avec l'acide pour former un acide a-bromé et régénérer le bromure d'acyle. Ce dernier a donc un rôle catalytique.

Les acides a-halogénés comme substrats Les acides a-halogénés sont largement utilisés en tant que composés intermédiaire en synthèse organique. Ils constituent en effet des substrats de choix pour réaliser des substitutions nucléophiles, du fait de la grande mobilité de l'halogène en a du groupe carboxyle. Voici quelques exemples : synthèse de l'acide 2-hydroxypropanoïque ou acide lactique ; Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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synthèse de l'acide cyanoéthanoïque utilisé comme précurseur dans la préparation du malonate de diéthyle utilisé comme réactif dans la synthèse malonique ;

synthèse de l'acide amino-2-propanoïque appelé de façon courante alanine.

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5. Structure, diversité et fonction des biomolécules : 1.

Acides aminés et dérivés

Structure et propriétés des AA : A- Composition chimique

Un acide aminé est une molécule qui est le plus souvent de la forme en particulier le cas à pH physiologique.

c'est

On a donc une molécule possédant deux groupements ionisables : l'un acide (COOH <—> COO- + H+), l'autre basique (NH2 + H+ <—> NH3+). L'atome de carbone sur lequel est fixé le groupement amine NH2 et le groupement acide carboxylique -COOH est appelé par convention carbone alpha. Le groupement R correspond à un radical variable selon l'acide aminé considéré. C'est donc lui qui détermine la nature de l'acide aminé puisque le reste est invariant.

Notons que la forme totalement non-ionisée n'existe pratiquement pas car aux pH acides pour lesquels la fonction COOH n'est pas ionisée, la fonction NH2 l'est toujours, et inversement aux pH basiques pour lesquels la fonction NH2 n'est pas ionisée, la fonction COOH l'est toujours. B- Stéréochimie Le carbone alpha portant quatre groupements différents, ce carbone est asymétrique. Les acides aminés sont donc des molécules chirales. On a deux isomères possibles : l'un de la série D l'autre de la série L. Il existe une exception : la glycine (voir plus loin).

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Il se trouve que tous les acides aminés naturels trouvés dans les molécules du vivant sont de la série L. D- Nomenclature Les acides aminés se différencient les uns des autres par leur radical. On peut donc théoriquement faire une infinité d'acides aminés. Cependant, on constate que chez l'Homme, comme chez de nombreuses espèces, seuls vingt acides aminés différents sont incorporés dans les protéines lors de la traduction. Leur masse molaire moléculaire moyenne est de 110 Da. Pour plus de commodité, un code international de correspondance à une et trois lettres peut être utilisé pour désigner chacun de ces vingt acides aminés. Pour avoir le détail des caractéristiques d'un acide aminé particulier, cliquez sur son nom. Nom complet de l'acide aminé

Code à une lettre

Code à trois lettres

Alanine

A

Ala

Arginine

R

Arg

Asparagine

N

Asn

Aspartate ou acide aspartique

D

Asp

Cystéine

C

Cys

Glutamate ou acide glutamique

E

Glu

Glutamine

Q

Gln

Glycine

G

Gly

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Les polycopiés de la première année des études de santé Histidine

H

His

Isoleucine

I

Ile

Leucine

L

Leu

Lysine

K

Lys

Méthionine

M

Met

Phénylalanine

F

Phe

Proline

P

Pro

Sérine

S

Ser

Thréonine

T

Thr

Tryptophane

W

Trp

Tyrosine

Y

Tyr

Valine

V

Val

E- Caractéristiques chimiques Dans la liste ci-dessous sont rassemblés quelques information sur chacun des vingt acides aminés incorporés dans les protéines : nature du radical et quelques remarques sur les propriétés associées. Classiquement, on regroupe ces vingt acides aminés par familles, en fonction des propriétés chimiques du radical. Plusieurs types de classement sont possibles puisque certains acides aminés peuvent entrer dans plusieurs catégories. Remarque : L'état d'ionisation des acides aminés étant dépendant des conditions de pH, il a été choisi dans cette présentation de donner les formules présentant l'état d'ionisation qui prévaut à pH physiologique (pH 7,4).

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Les acides aminés aliphatiques hydrophobes : Acide aminé

Glycine (Gly; G)

Radical

Acide aminé

Alanine (Ala; A)

Radical

pKa = 2,3 / pKb = 9,6 / pKr = Remarques aucun / pHi = 6,0

pKa = 2,3 / pKb = 9,7 / pKr = aucun / pHi = 6,0

C'est le plus simple des acides aminés possibles. Remarques

Ne possède pas de carbone asymétrique puisque le carbone alpha porte deux hydrogènes (il faut quatre groupements différents pour avoir un carbone asymétrique).

Acide aminé

Valine (Val; V)

Radical

Remarques

Acide aminé

Leucine (Leu; L)

Radical

pKa = 2,3 / pKb = 9,6 / pKr = Remarques aucun / pHi = 6,0

Acide aminé Isoleucine (Ile; I)

Acide aminé

pKa = 2,4 / pKb = 9,6 / pKr = aucun / pHi = 6,0 Proline (Pro; P)

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Radical

Radical

pKa = 2,4 / pKb = 9,7 / pKr = aucun / pHi = 6,1 Remarques Comporte deux carbones asymétriques : le carbone alpha Remarques mais aussi le carbone bêta.

pKa = 2,0 / pKb = 10,6 / pKr = aucun / pHi = 6,3 L'amine portée par le carbone alpha est une amine secondaire et non une amine primaire.

Les acides aminés aromatiques hydrophobes Acide aminé

Phénylalanine (Phe; F)

Acide aminé

Tryptophane (Trp; W)

Radical Radical Remarques

pKa = 1,8 / pKb = 9,1 / pKr = aucun / pHi = 5,5 Remarqu pKa = 2,4 / pKb es aucun / pHi = 5,9

=

9,4 / pKr

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=

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Les acides aminés amidés Acide aminé

Asparagine (Asn; N)

Glutamine (Gln; Q)

Radical

Radical

Remarques

Acide aminé

pKa = 2,0 / pKb = 8,8 / pKr = aucun / pHi = 5,4

pKa = 2,2 / pKb = 9,1 / pKr = aucun / pHi = 5,7

Le groupement carboxyamide Remarques terminal est polaire mais nonionisable.

Le groupement carboxyamide terminal est polaire mais nonionisable.

Les acides aminés aromatiques hydroxylés Acide aminé

Tyrosine (Tyr; Y)

Radical

pKa = 2,2 / pKb = 9,1 / pKr = 10,1 / pHi = 5,7 Remarque La fonction hydroxyle liée au cycle s aromatique est ionisable, mais non ioinisée au pH physiologique (pH 7,4).

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Les acides aminés hydrophiles hydroxylés Acide aminé

Sérine (Ser; S)

Radical

Remarques

Acide aminé

Thréonine (Thr; T)

Radical

pKa = 2,2 / pKb = 9,2 / pKr = aucun / pHi = 5,7

pKa = 2,6 / pKb = 10,4 / pKr = aucun / pHi = 6,5

La fonction hydroxyle est polaire mais non-ionisable. Remarques

La fonction hydroxyle est polaire mais non-ionisable. Comporte deux carbones asymétriques : le carbone alpha mais aussi le carbone bêta.

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Les polycopiés de la première année des études de santé Les acides aminés soufrés Acide aminé

Cystéine (Cys; C)

Acide aminé

Méthionine (Met; M)

Radical Radical

pKa = 1,7 / pKb = 10,8 / pKr = 8,3 / pHi = 5,0

Remarques

pKa = 2,3 / pKb = 9,2 / pKr = aucun / pHi = 5,8

Le groupement thiol (-SH) est ionisable mais non-ionisé au Remarques Groupement aliphatique soufré donc pH physiologique (pH 7,4). caractère hydrophobe. Deux groupements thiols sont susceptibles de s'oxyder pour former une liaison covalente Cys-S-S-Cys appelée pont disulfure.

Ne forme pas de pont disulfure.

Les acides aminés dibasiques Acide aminé

Radical

Lysine (Lys; K)

Acide aminé

Arginine (Arg; R)

Radical

Remarq pKa = 2,2 / pKb = 9,0 / pKr = Remarq pKa = 2,2 / pKb ues 10,5 / pHi = 9,8 ues 12,5 / pHi = 10,8

=

9,0 / pKr

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=

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Histidine (His; H)

Radical

pKa = 1,8 / pKb = 9,2 / pKr = 6,0 / pHi = 7,6 Remarques

Le groupement imidazole est ionisable mais faiblement ionisé à pH physiologique (pH 7,4). pHi proche du pH physiologique (pH 7,4).

Les acides aminés diacides Acide aminé

Radical

Remarques

Aspartate ou acide aspartique Glutamate ou acide glutamique Acide aminé (Asp; D) (Glu; E)

Radical

pKa = 2,2 / pKb = 9,8 / pKr = Remarques 3,9 / pHi = 3,0

pKa = 2,2 / pKb = 9,7 / pKr = 4,3 / pHi = 3,2

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Solubilité :

F- Caractéristiques physiques Diagramme de Venn des propriétés des acides aminés La plupart des acides aminés subissent facilement la solvatation par les solvants polaires tels que l'eau, ou l'alcool (particulièrement proline et hydroxyproline) dans lesquels ils sont solubles. D'autre part, les acides α-aminés sont solubles, mais à moindre degré dans les solvants non polaires. Il est important de retenir que cette solubilité est largement dépendante des propriétés de la chaîne latérale: la solubilité diminue avec le nombre d'atomes de carbone du radical, mais inversement augmente si ce radical R est porteur de fonctions polaires (NH2, COOH) ou hydrophiles (OH). Ex de solubilité : La tyrosine, par son noyau aromatique, est peu soluble dans l'eau : 0,04 %. De même, la cystéine, la leucine. Propriétés ioniques : Les acides aminés contiennent un groupement carboxyle -COOH acide et un groupement amino -NH2 basique. En solution, ces groupements existent sous deux formes, l'une chargée, l'autre neutre : + R-COOH ; R-COO + H + + R-NH3 ; R-NH2 + H

Les acides aminés sont appelés pour cette structure diionique amphotères. L'ionisation varie avec le pH : les acides aminés existent, en solution aqueuse, sous 3 formes possibles : a) En milieu acide (pH<pHi): La fonction amine s'ionise en captant un proton et la dissociation du carboxyle est inhibée. L'acide aminé se trouve sous forme de cation. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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b) En milieu basique (pH>pHi): La fonction acide s'ionise en libérant un proton, la base du milieu bloque l'ionisation du groupement amino. L'acide carboxylique se trouve sous forme d'anion. c) Le pH pour lequel les 2 dissociations s'effectuent est appelé point isoélectrique : ou pHi. À ce pH, on a un ion dipolaire ou zwitterion de charge nette nulle, donc ne migrant pas dans un champ électrique.

De part et d'autre du pHi, on définit des pH qui correspondent à une demi dissociation de COOH et de NH3+, ce sont les pKs. Il existe donc 2 pK : • •

le pK de COOH : environ 2 - 3 le pK de NH3+ : environ 10

Le point (ou pH) isoélectrique ou isoionique est égal à la demi somme des pKs. Le radical R, lorsqu'il renferme un groupe ionisable, participe à la valeur du point isoélectrique. Un pK supplémentaire apparaît alors. Par exemple pour l'histidine : 1. pK1 acide 2. pK2 demi dissociation du groupe imidazole 3. pK3 amine Absorption de la lumière : Les solutions d'acides aminés sont incolores. Les acides aminés aromatiques absorbent dans l’UV entre 260 et 280 nm. Au-dessus de 260 nm, la plus grande partie de l'absorption ultraviolette des protéines provient de leur teneur en tryptophane et parfois en tyrosine.

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Propriétés et rôle biologique des dérivés d’acides aminés Le rôle principal des acides aminés est de renter dans la constitution des protéines. Certains acides aminés ne sont pas synthétisés par l’organisme, ce sont les acides aminés essentiels. Un acide aminé essentiel ou indispensable, est un acide aminé qui ne peut être synthétisé de novo par l'organisme (généralement humain) ou qui est synthétisé à une vitesse insuffisante, et doit donc être apporté par l'alimentation. Pour retenir les 9 acides aminés essentiels, il suffit de retenir la phrase suivante : "Hystérique, le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult (en Argentine). " • • • • • • • • • •

Hystérique : Histidine (acide aminé semi-essentiel) Le : leucine très : thréonine lyrique : lysine Tristan : tryptophane fait : phénylalanine vachement : valine méditer : méthionine Iseult : isoleucine Argentine : arginine. (L'arginine peut aussi être considéré comme acide aminé essentiel)

Autre exemple, plus court : "Mets-le dans la valise, il fait trop d'histoires" Peptides et protéines : Structure primaire et liaison peptidique • Peptide, Liaisons et interactions chimiques des protéines Les liaisons de covalence Ces liaisons solides résultent du partage d'électrons entre deux atomes. Il en existe 4 types différents. La liaison peptidique -CO-NH- est la liaison responsable de la formation du squelette carboné, de la structure primaire des protéines. C'est une liaison amide formée entre la fonction α carboxylique d'un acide aminé et la fonction α aminée d'un autre aminoacide. La liaison carbone-carbone -CH-CO existe en fait dans les acides aminés composant la protéine mais joue un rôle dans la formation du squelette. Les ponts disulfures sont retrouvés en abondance dans les protéines et sont caractéristiques de la structure tertiaire des protéines globulaires. On les rencontre fréquemment dans les protéines fibreuses. Le pont s'établit (facultativement) entre deux cystéines et est rompu sous l'action du mercapto-éthanol. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Les ponts desmosines relient 4 molécules de lysine. Caractéristiques de l'élastine, ils se forment grâce à la lysyl-oxydase. Les liaisons ioniques Les liaisons ioniques sont des liaisons faibles résultant de l'attraction entre deux groupes polaires de charges opposées. On rencontrera donc ces liaisons entre le groupe carboxylique d'un acide aminé acide (glutamate ou aspartate) et le groupe azoté d'un acide aminé basique (lysine, histidine, arginine). Ces liaisons peuvent s'effectuer au sein d'une même chaîne, repliant le polypeptide. Ces liaisons sont les plus fortes après les liaisons covalentes. Elles dépendent du pH et des concentrations en sel. Elles ont une importance certaine dans les liaisons entre la protéine et d'autres molécules. Les liaisons hydrogènes Deux atomes électro-négatifs se partagent inégalement un atome d'hydrogène. Un atome est lié par covalence à l'H, c'est l'atome donneur. L'autre atome est l'atome accepteur. Généralement on observe cette liaison entre les éléments de deux liaisons peptidiques. On les trouve également associant les radicaux des acides aminés polaires. Elles sont faibles et instables mais ces défauts sont compensés par leur très grand nombre qui leur permet d'avoir un rôle essentiel dans le maintien de la structure secondo-tertiaire. Les liaisons hydrogènes gagnent en puissance quand les trois atomes sont alignés sur un même axe. Forces de Van der Walls Cette liaison se fait pour n'importe quel atome mais nécessite une distance entre atomes faible : moins de 5 angström. Chaque atome présente des fluctuations électroniques temporaires faisant de lui un dipôle transitoire. Ceci explique que deux atomes, même neutres, peuvent développer une interaction faible, la force d'attraction de Van der Walls. Leur faiblesse est compensée par leur nombre considérable, notamment lors de l'ajustement de deux surfaces macro-moléculaires. Interactions hydrophobes Elles s'effectuent entre deux molécules non polaires. En présence d'eau, celles-ci auront tendance à s'associer pour exclure l'eau. Par exemple dans les protéines globulaires solubles, la zone hydrophobe (les groupements apolaires) est enfouie à l'intérieur de la molécule, excluant l'eau. Ce phénomène stabilise les structures tertiaires.

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Structure de protéines

Elles naissent toutes de la grosse sous-unité 60S d'un ribosome sous la forme d'un enchaînement linéaire d'acides aminés. C'est la structure primaire due aux liaisons peptidiques. Par la diversité des forces attractives et répulsives des éléments de la chaîne, cette structure va évoluer en structure secondaire (aboutissement des protéines fibreuses), en structure tertiaire (obligatoire pour les protéines globulaires), voire en structure quaternaire. In fine, cette évolution tridimensionnelle amène à une conformation spatiale spécifique : la protéine native. Structure primaire La liaison peptidique, forte, en est responsable. Elle présente des atomes adjacents dans un même plan d'où le fait qu'elle soit coplanaire. Elle possède un caractère de double liaison partielle par résonance entre deux formes. Ceci lui confére une rigidité presque complète. Les rotations sont absentes et il existe donc deux conformations possibles pour la liaison: cis ou trans. C'est la conformation trans qui est observée car favorisée énergétiquement. Les mouvements de rotation restent possibles entre le carbone α et N et entre le carbone α et le C. On comprend donc aisément que le squelette axial est non spécifique d'une protéine mais que c'est une structure commune. Ce qui confère son identité à une protéine est l'ensemble des chaînes latérales des acides aminés protéinogènes la composant. Cet ensemble constitue la signature de la protéine. Structures secondaires, tertiaire et quaternaire des protéines •

Structure secondaire

L'hélice α droite Elle est présente aussi bien dans les protéines fibreuses que dans les protéines globulaires. Elle caractérise la kératine α ainsi que le fibrinogène et la myosine. Cette forme hélicoïdale est le résultat de liaisons chimiques intra-moléculaires conduisant à cette structure d'escalier en spirale. Cette forme hélicoïdale a un pas à droite de 0,54 nm. Sa stabilité est assurée par : des liaisons hydrogène qui se constituent entre des groupements C=O et NH distants de 4 acides aminés. ces liaisons ont une inclinaison de 30°. des interactions de Van der Walls. sa longueur: plus une hélice α est longue, plus elle est stable par une très forte coopérativité. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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En un tour d'hélice on dénombre 3,66 aminocides soit 18 acides aminés en 5 tours. En général, une hélice α est constituée de 5 à plus de 40 acides aminés. Les acides aminés favorisant la formation d'hélice α sont Ala, Glu, Leu, Met. Les acides aminés mauvais formateurs sont Pro, Gly, Tyr, Ser. Les hélices α peuvent être hydrophiles, amphipathique ou encore hydrophobe. Cela dépend de la composition en acides aminés de l'hélice. En effet les radicaux des acides aminés sont tournés en dehors de l'axe de l'hélice, définisant leur réaction à leur environnement. Ainsi, si l'hélice α ne comporte que des aminoacides hydrophobes, elle va se placer en contact avec des surfaces hydrophobes, comme la bicouche lipidique. Si les résidus hydrophobes sont sur une face et les résidus hydrophiles sur l'autre face, l'hélice α sera amphipatique (ou amphiphile). C'est-à-dire qu'on le trouvera à l'interface de zones hydrophiles et hydrophobes. Le feuillet plissé β Il est constitué de la juxtaposition de brins β, chaîne de conformation très étirée. Les chaînes sont présentées en "feuillet plissé" (à prendre au premier sens topographique), succession de "toits". Les liaisons peptidiques participent à cette réticulation et il existe de très nombreuses liaisons hydrogènes entre les brins.Les brins, au sein d'un feuillet, peuvent être parallèles ou antiparallèles. Ce dernier type de feuillet est plus stable car les liaisons hydrogènes sont dans un alignement parfait. Après les hélices α, ils dominent dans les structures secondaires des protéines. Sont très souvent présents dans les feuillets β : Gly, Val, Ile (3 acides aminés apolaires). In vivo, les feuillets β ne possèdent pas une structure 3D vraiment plate. Ils sont soumis à une torsion dans les protéines. Ils sont donc représentés par un bouquet de flèches indiquant le sens du brin : de l'extrémité amino terminale vers la carboxy terminale, et la torsion. On les trouvera fréquemment enfouis dans la structure tertiaire des protéines globulaires. Les boucles et les coudes (ou tours) A peu près un tiers des acides aminés d'une protéines font partie de boucles ou coudes permettant les demi-tours de la chaîne peptidique. Les coudes lient généralement deux brins β antiparalléles. Ils comportent 2 à 4 aminoacides, sont donc courts. Plus ils sont courts, moins nombreuses sont les conformations spatiales possibles. Pour les stabilisés, il peut y avoir un pont hydrogène entre le premier et le quatrième acide aminé. Les acides aminés bons formateurs de coudes sont Gly et Pro. Les boucles sont plus longues et conmportent donc plus de 4 acides aminés. Elles permettent donc plus de conformations possibles. Tous les aminoacides des boucles ne participent pas à des liaisons hydrogène intramoléculaires. Cela leur permet une interaction plus facile avec le solvant. Généralement, on trouve des boucles entre : des hélices α, des hélices α et des brins β, des brins β Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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PAES-Concours.com Les polycopiés de la première année des études de santé parallèles ou de feuillets Les facteurs de transcription comportent un motif très particulier : hélice-boucle-hélice.

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Poly-gly, poly-pro, hélice gauche du collagène Poly-pro et poly-gly sont des polymères synthètiques de proline et glycine. En solvant aqueux poly-pro a une conformation d'hélice gauche, poly-gly oscille entre hélice gauche et feuillet β. Les chaînes contenant naturellement ces deux acides aminés peuvent donc avoir une structure en hélice gauche, comme le collagène. Les hélices gauches sont plus petites que les hélices α, elles ne comptent que trois acides aminés par tour d'hélice. Structures super-secondaires Elles ne concernent facultativement que les protéines globulaires. Celles-ci sont souples et possèdent des activités très diverses. Les structures (ou motifs) super-secondaires correspondent à des associations caractéristiques de feuillets et hélices fréquentes. Le motif de "main EF" de la calmoduline est un motif supersecondaire hélice-boucle-hélice. La boucle va loger un atome de calcium. Certaines propriétés biologiques sont liées à ces structures. Citons également: le motif de clé grecque (4 brins β), la fermeture éclair de Leucine (2 hélices α), le motif doigt de zinc (1 boucle, un atome de zinc, 2 Cys + 2His ou 4 Cys), le motif brin β- hélice α- brin β. Structure tertiaire Elle ne s'applique obligatoirement qu'aux protéines globulaires. Cette structure tridimensionnelle très compacte, enroulée comporte les structures secondaires précédemment vues et des segments sans structure secondaire. On retrouve donc également les interactions ioniques, les interactions hydrophobes (fortes au centre de la protéine), les liaisons hydrogènes stabilisant les repliements, les forces de Van der Walls, les ponts disulfures. Ces derniers se créent après achèvement du repliement tridimensionnel de la protéine et ont un rôle prépondérant dans le maintien de la structure tertiaire. La structure tertiaire d'une protéine globulaire est sa conformation tridimensionnelle biologiquement active. Le repliement d'une protéine est ce qui relie le génome à la fonction Ceci nous amène à définir la notion de domaines. Les domaines sont des sous-unités compactes. Elles sont liées par des séquences peptidiques généralement courtes et sans structure secondaire. Ces domaines sont presque "indépendants" du reste de la structure tertiaire de la protéine globulaire. En effet ils ont leur propre structure tertiaire et sont stables indépendamment du reste de la chaîne polypeptidique. Leur correspond une fonction spécifique de la protéine. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 155


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Cela introduit la notion de stéréospécificité. Ces domaines peuvent topographiquement se présenter comme des crevasses, des zones particulières. Cette configuration spatiale doit répondre à celles d'autres structures d'autres molécules. Structure tridimensionnelle, stéréospécificité et rôle biologique sont donc nécessairement liés. C'est ce qui définit la notion de site actif : la conformation spatiale de protéine rapproche des acides aminés normalement éloignés et forme le site actif, site actif souvent logé dans la crevasse. On observera donc la reconnaissance ligand-protéine. Cette reconnaissance s'effectue par complémentarité puis établissement de liaisons non covalentes ne nécessitant pas l'intervention d'un catalyseur. Structure quaternaire Ce type de structure ne concerne que facultativement les protéines globulaires. Il s'agit de l'association de sous-unités dans une même molécule protéique. Ces sous-unités sont toujours reliées par des liaisons faibles et jamais par des liaisons covalentes. Une sous-unité à l'état libre est un monomère. La protéine est un oligomère. L'élément de symétrie se répétant n fois est un protomère. Si toutes les sous-unités sont identiques le protomère prend le nom du monomère (exemple : protéine α4). Si la protéine est constituée de 2 monomères α et 2 monomères β alors le protomère est [ αβ ] et la protéine contient 2 fois le protomère, elle est dite " α2 β 2". C'est par exemple le cas de l'hémoglobine. Mode d'étude de la structure des protéines La cristallographie aux rayons X est la première méthode d'étude a avoir permis la description de la structure d'une protéine. Cette technique est difficile car la première étape, l'obtention d'un cristal à partir d'une protéine pure, nécessite une quantité importante de protéines. Le cristal obtenu est ensuite passé aux rayons X sous différents angles et donne des spectres de diffraction. Ultime étape: on effectue un relevé des courbes d'égale densité électronique du cristal et on reconstitue une carte de densité électronique en 3D. Et, est réalisé en paralléle le séquençage de la protéine pour avoir des résultats se complétant. La résonance magnétique nucléaire étudie la structure de la protéine solubilisée. Modes de repliement des protéines Les études les plus importantes déterminant ces modes sont les travaux de Anfinsen. Dogme de Anfinsen : "La structure secondaire des polypeptides comme l'hélice α ou la configuration β est le résultat spontané et automatique de son contenu et de sa séquence en acides aminés. La structure secondaire d'une protéine est sa forme la plus stable dans des conditions biologiques données." Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Donc à retenir, selon Anfinsen : le repliement des protéines est sous contrôle thermodynamique, le seul déterminant est la séquence, la forme pliée est celle qui présente l'énergie libre la plus basse. Depuis, d'autres recherches permettent aujourd'hui de dire que ce dogme doit être nuancé. En effet certaines protéines nécessitent l'aide de protéines chaperonnes pour accéder à un repliement correct. Deux raisons possibles à cela soit parce que la séquence ne contient pas les informations nécessaires, soit parce que la séquence contient des informations ne pouvant s'exprimer dans un milieu aqueux salin tel que le cytoplasme. Les chaperonines vont donc agir en entourant les chaînes polypeptidiques, les protégeant du milieu cytoplasmique, de la polarité et des autoaggrégations. Il peut arriver que pour le repliement correct d'une protéine, plusieurs chaperones soient nécessaires. (cf HSP cours histo-cyto) Le paradoxe de Levinthal énonce que pour un polypeptide de 100 résidus, il y a 2100 conformations possibles mais une seule existe au sein de la cellule. S'ajoute en plus de ce paradoxe des modèles théoriques différents. Le modèle de la condensation hydrophobe dit que les résidus hydrophobes s'enfouissent et ensuite la chaîne évolue en structure secondaire puis tertiaire. Le modèle de diffusion-collision évoque la naissance de microdomaines diffusant et entrant en collision créant des structures secondaires transitoires, celles-ci menant aux structures tertiaires. Actuellement, il est dit que l'enroulement des protéines globulaires commence par la formation locale de structure secondaire. Celles-ci intéragissent et s'ajustent afin d'aboutir à la structure tertiaire finale. Tout ceci est influencé par les résidus hydrophobes souhaitant vivement exclure l'eau, la formation d'hélice α de certaines chaînes polypeptidiques et la nécessité de stabilité en développant le plus de liaisons hydrogènes et ioniques.

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Prédiction de la structure d'une protéine à partir de sa séquence Deux méthodes pour prédire la structure d'une protéine séquencée : la comparaison : actuellement la plus utilisée, compare le résultat du séquençage (séquences théoriques d'acides aminés et pourcentage : 10% d'Ala, 30% de Glu...) avec le contenu d'une banque de données de protéines connues et ayant un rapport avec celle étudiée. On obtient une homologie supérieure à 50%. la modélisation mathématique pure : les séquences d'acides aminés sont traitées selon l'hypothèse thermodynamique. Elle est utilisé suite à une recherche par homologie infructeuse. Dénaturation La rupture de liaisons secondaires stabilisant la conformation peut mener à une structure désordonnée caractérisant l'état dénaturé. La protéine est alors insoluble en milieu aqueux par perte de ses propriétés enzymatiques. Les liaisons peptidiques, donc la structure primaire, ne sont pas atteintes par la dénaturation. Agents dénaturants physiques la chaleur : son action est irréversible à 100°C. Dès 60°C, beaucoup de protéines sensibles à la chaleur sont dénaturées. l'agitation mécanique : irréversible, elle peut-être illustrée par les ultra sons. Agents dénaturants chimiques les solvants organiques miscibles à l'eau (éthanol, acétone): les protéines sont précipitées car insolubles dans ces milieux. Effectuée à température ambiante, la dénaturation sera irréversible. Si la précipitation se fait à moins de 0°C, la dénaturation sera réversible et la protéine retrouvera ses propriétés biologiques après élimination du solvant. les sels (sulfate d'ammonium : SO4 (NH4)2 ) : précipitant les protéines, leur action sera irréversible sauf si réalisée à froid ( > 0°C). On trouve leur utilisation dans le fractionnement des protéines. les acides forts (acide perchlorique, acide trichloracétique) : ils dénaturent irréversiblement les protéines en les précipitant suite à la rupture des laisons salines. détergents anioniques (Sodium-Dodecyl-Sulfate) : ils perturbent les liaisons ioniques dans un milieu dissociant, ce qui a pour fin de séparer les sous-unités des structures quaternaires. Leur action est réversible. urée : comme le SDS, c'est un milieu dissociant à action réversible après élimination. Elle rompt les liaisons hydrogènes.

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Propriétés et méthodes d’étude des protéines et des acides aminés • Chromatographie La chromatographie est une technique de séparation des constituants d'un mélange dans laquelle interviennent des phénomènes d'adsorption et de partage. Le mécanisme général correspond à l'entraînement de ces constituants par une phase mobile (liquide) le long d'une phase stationnaire ou fixe (solide, gel de silice sur plaque aluminium par exemple) contenue dans une colonne. Le solvant de chromatographie de la phase mobile déposé en haut de colonne va descendre par capillarité dans la phase stationnaire entraînant avec lui les composants protéiques. Selon leur hydrophilie, pHi ou encore selon leur P.M ils migreront plus ou moins vite dans la phase fixe. La chromatographie liquide haute performance ou CLHP (HPLC en anglais) améliore les performances de séparation en mettant la phase mobile sous pression (plus précis, plus rapide). Le dispositif est alors modifié : le diamètre de la colonne est réduit, des pompes sont ajoutées, les phases fixes fixes employées doivent être capables de résister à la pression (donc phase stationnaire en silice). Dans la chromatographie, ce qui entraîne les molécules est un flux liquidien, naturel ou forcé. • L'électrophorèse La migration différentielle de molécules chargées sous l'influence d'un champ électrique constitue la base de cette technique de fractionnement. Les acides aminés sont séparables et identifiables par cette technique par leur dissociation acido-basique. Le système est composé d'une plaque de verre recouverte de gel d'agarose ou d'acrylamide creusé à un bout de puits recevant les échantillons à étudier. De part et d'autre de cette plaque, se disposent cathode et anode au contact du tampon de migration (solution riche en ions pour la conduction de l'électricité) placé à chaque bout de la plaque. Une différence de potentiel entre les électrodes est réalisée par un courant continu haut voltage. Plus les composés auront des charges importantes et plus vite ils migreront. A la fin de la migration, il suffit de relever l'emplacement des composés d'aminoacides via des colorants (tels que le bleu de Coomassie) et la distance parcourue (leur déplacement) et de comparer avec des témoins. Dans l'électrophorèse, c'est un courant électrique qui entraîne les molécules. Seules celles qui sont chargées se déplaceront. • Purification de nouvelles protéines Préparation de l'extrait protéique Celle-ci est réalisée quand l'extrait ne provient pas d'une source soluble (sérum, LCR...) mais d'un tissu dont il faut donc extraire un homogénat. Homogénéisation Elle peut être réalisée par des homogénéisations mécaniques, l'emploi d'ultrasons, l'utilisation de chocs osmotiques. La lyse des membranes cellulaires ainsi effectuée va permettre la libération du contenu cytoplasmique. Ceci aboutit à l'obtention d'une "soupe cellulaire" qu'il est nécessaire de Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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clarifier par centrifugation pour séparer les protéines solubles, les sels minéraux, les petites molécules (oses, acides aminés, lipides, coenzymes). Centrifugation, ultracentrifugation Comme nous venons de la voir, elle permet la séparation des cellules, organites et macromolécules biologiques. Le dispositif comporte un moteur faisant tourner un axe auquel sont fixés des tubes contenant les solutions à clarifier. La vitesse de sédimentation est proportionnelle à l'intensité du champ centrifuge. Le résultat d'une centrifugation est l'obtention de deux fractions : le sédiment ou culot (solide, au fond du tube), le surnageant (fraction liquide). Une sédimentation de 600 à 1000g pendant 10 minutes, dite "simple", permet par exemple d'extraire du sang total les hématies et leucocytes dans le culot, et le plasma en surnageant. Un centrifugation de 15000g permettra la sédimentation d'organites comme les mitochondries. Pour les molécules plus petites telles que les ribosomes, réticulum endoplasmique, il faut monter à 100 000g, le surnageant sera alors le cytosol. Elimination des petites molécules La dialyse est la méthode la plus connue. Le dispositif est simple : un bac d'eau distillée contient un sac de cellophane contenant un extrait protéique. Les petites molécules et l'eau vont diffuser à travers les pores du sac. Les macromolécules comme les protéines sont retenues dans le sac. Les protéines ne sont pas dialysables. Par la suite, on oberservera le phénomène d'osmose : les petites molécules passeront la memebrane dans un sens permettant l'équilibre des concentrations de part et d'autre de la membrane du sac. Autre méthode, l'ultra filtration sous pression permet également l'élimination des petites molécules. Le principe est similaire : l'extrait protéique est filtré sous pression d'azote à travers un filtre de cellulose à pores sélectifs. • Dosage global des protéines Spectrophotométrie à 280nm La spectrophotométrie n'est utile que pour les acides aminés aromatiques ( Tyr, Trp) mais d'autres substances peuvent absorber à 280nm. Réaction du biuret Les protéines sont placées en milieu alcalin Cu2+ formant un complexe violet proportionnel à la quantité de protéines. C'est en fait les liaisons peptidiques qui sont dosées dans cette technique. Technique de Lowry la technique de Lowry, très sensible, ne dose que la tyrosine. Colorations spécifiques La coloration dénature les protéines. Divers colorants comme le noir amide, le bleu de bromophénol, le rouge ponceau, le bleu de coomassie se fixent aux protéines. Généralement la coloration est effectuée pour révéler les résultats d'une électrophorèse. • Méthode basée sur l'hydrophilie / hydrophobie relative des protéines Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Il s'agit de la chromatographie de partage. Une molécule composée d'aminoacides présentée à la fois à une phase polaire et à une phase apolaire organique se partagera en deux fractions entre ces deux phases selon son degré d'hydrophilie / hydrophobie déterminant son coefficient de partage. La chromatographie de partage est donc basée sur cette différence d'affinité. Pour faire simple, il faut retenir deux vérités. Plus une protéine possède de groupements polaires, plus elle est soluble dans l'eau. Plus elle possède de groupements apolaires, plus elle est soluble dans les solvants organiques Les protéines, en chromatographie en phase inverse, iront donc aussi loin que leur affinité pour la phase mobile est élevée. Le plus souvent en chromatographie de partage des protéines, la phase fixe est hydrophobe et la phase mobile est hydrophile. Les protéines hydrophiles les plus hydrophiles vont être entraînées par la phase mobile et vont donc sortir en premier. Les protéines hydrophobes, retenues par la phase stationnaire, sortiront en dernier. • Méthodes de séparation basées sur les différences de pHi Les différences de pHi des protéines La composition des protéines et peptides les rend susceptibles de porter des charges électriques, ceci suite aux dissociations acido-basique des aminoacides. Rappelons que (cf cours acides aminés) : si le pH de la solution est inférieur au pHi d'un acide aminé, celui-ci sera sous forme de cation (acide), si le pH de la solution est égal au pHi de l'aminoacide, celui-ci sera sous sa forme électriquement neutre, si le pH de la solution est supérieur au pHi de l'aminoacide, celui-ci sera sous forme anionique (base). Les protéines auront donc un pHi "somme" de ceux des aminoacides à radicaux ionisables la composant. Le pHi d'une protéine correspond à une moyenne des pHi de tous ses acides aminés. Ainsi les mêmes propriétés précédemment énoncées sont valables pour des protéines : en milieu basique (pH tampon > pHi), elles seront chargées en anions, en milieu acide (pH tampon < pHi), elles seront chargées en cations, en milieu neutre, quand le pH du tampon correspond à celui de la protéine, celle-ci sera globalement neutre. Electrophorèse simple Dans un milieu acide (pH tampon < pHi), la protéine cation migre vers la cathode négative. Dans un milieu basique (pH tampon > pHi), la protéine anion migre vers l'anode positive. Seul le pHi apparait comme critère de séparation. L'application de ce principe correspond à l'électrophorèse dite "de zone" ou sur support solide (cf. Electrophorèse, §1.2.) révélée par coloration. Les protéines fixées et colorées seront dénaturées irréversiblement. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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• Chromatographie sur résine échangeuse d'ions Le dispositif reste le même : un tampon d'élution est versé sur une solution d'aminoacides (libres ou sous formes de peptides) contenue en haut d'une colonne avec résine. Cette résine est un polymère de silice greffé avec des macromolécules insolubles aux groupements ionisés. Ces groupements vont pouvoir réversiblement échanger leurs ions mobiles contre des ions de même charge venant de la solution. Une résine cationique échangeuse d'anions fractionnera les protéines à pH élevé. Or à pH élevé, les protéines acides sont fortement dissociées (les formes anions COO- sont majoritaires par rapport aux radicaux COOH). Elles sont donc fortement fixées à la résine. Les protéines basiques, peu anioniques, vont, au contraire, passer très rapidement, sans se fixer à la colonne. c'est donc une diminution progressive du pH de la phase mobile qui permet l'élution des protéines neutres puis acides. Les protéines sortent dans l'ordre inverse de leur affinité pour la résine. Une résine anionique échangeuse de cations fonctionnera de la même façon, mais ce sont les protéines basiques (formes "RNH3+" majoritaires par rapport aux radicaux RNH2) qui se fixent fortement à la résine. Sortent donc en premier les molécules acides, puis les neutres et enfin les basiques. On élue donc à pH faible en l'augmentant. Les protéines sortent dans l'ordre inverse de leur affinité pour la résine. L'augmentation de la concentration saline se traduit par une augmentation des ions du tampon qui vont donc entrer en compétition avec les protéines pour s'accrocher à la résine. L'augmentation de la concentration saline va donc favoriser le décrochage. • Méthodes basées sur des différences de Poids Moléculaire Electrophorèse sur gel de polyacrylamide - SDS Le sodium-dodecyl-sulfate est un détergent très puissant, très hydrophobe, qui rompt les liaisons non covalentes. La protéine est dénaturée mais de façon réversible. Un complexe SDS - protéine dénaturée se forme et comporte une charge négative colossale (à peu près proportionnelle à la longueur de la chaîne). La charge nette de la protéine devient donc négligeable et seul le poids moléculaire apparait déterminant. Afin de conforter cette idée, du mercapto-éthanol est ajouté pour rompre les ponts disulfures. Est alors réalisé une électrophorèse verticale sur gel de polyacrylamide. C'est ce gel qui va alors permettre les migrations différentes entre protéines. Il contient des mailles et peut donc jouer ainsi un rôle de tamis : le gel freine les protéines proportionnellement à leur taille (PM). Les protéines les plus grosses restent proches de leur point de dépôt alors que les petites protéines migrent très loin. La révélation se fera à l'argent ou au bleu de coomassie, révélant une série de bandes. La mobilité est inversement proportionnelle à la masse. On dit que la mobilité des protéines est linéairement proportionnelle au logarithme de leur masse. Il devient donc possible de déterminer le Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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poids de protéines par comparaison avec un mélange d'étalonnage : le marqueur de poids moléculaire. Chromatographie d'exclusion moléculaire sur gel C'est l'inverse de l'électrophorèse dans le sens où ce sont les petites protéines qui seront freinées. En fait le gel de Séphadex (ou polyacrylamide) est formé de grains gonflant dans l'eau. Comme il s'agit d'une chromatographie, on retrouve le dispositif en colonne. En assimilant les protéines à des particules sphériques on comprend rapidement que les petites protéines vont pénétrer les grains de Séphadex et avoir une migration retardée. Au contraire, les protéines dont la taille est supérieure à celle des plus gros pores du gel de Séphadex quitteront la colonne en premier. Plus le PM est important, moins la quantité d'éluant utilisée sera importante, et inversement. • Chromatographie d'affinité Elle est basée sur des interactions spécifiques entre deux molécules comme une protéine et son ligand. Dans une colonne on fixe sur un support inerte de façon covalente un ligand. On fait passer dans la colonne une solution contenant plusieurs protéines. La formation d'un complexe stable mais réversible permet de déterminer la protéine ayant de l'affinité pour ce ligand. En modifiant les conditions d'élution, on décroche la protéine qui sera récupérée et étudiée. C'est en général la dernière étape d'un processus de purification car technique fine et onéreuse. 2.7. Propriétés antigéniques Les antigènes sont des protéines nécessitant une réponse immunitaire, donc répondant au modèle ligand-protéine. Le ligand, ici, sera un anticorps (immunoglobuline du sérum), ce sont les réactions immunologiques classiques. Comme pour toutes autres modèles enzymes - protéines, la reconnaissance se fait par complémentarité des surfaces et le point d'équivalence correspond à la proportion d'antigène et d'anticorps pour laquelle la combinaison est complète. Beaucoup de méthodes permettent de révéler un antigène lorsqu'on connait l'anticorps spécifique. L'immunoprécipitation permet une combinaison antigène-anticorps in vitro précipitant au point d'équivalence. On pourra ainsi récupérer l'antigène par centrifugation. La chromatographie d'affinité et les dosages ELISA sont également utilisés. • Critères de pureté Lorsqu'on purifie et étudie une protéine pour la première fois, ses propriétes sont toutes à déterminer. On commence par obtenir un extrait par dialyse, filtration. Puis sont testés : le pHi, le PM. Ensuite est réalisé une chromatographie d'affinité et l'on peut alors déterminer si l'on a obtenu une protéine pure ou pas selon une convergence de preuves indiquant la qualité de la séparation. 3. Détermination de la séquence en acides aminés d'un peptide ou protéine. Pour avoir la composition brute en acides aminés d'une protéine pure, selon un schéma général, on procéde comme suit : identification des acides aminés des extrémités NH2 et COOH terminales, coupure de la protéine en peptide selon 2 ou 3 patrons de coupes, séquençage de chacun des peptides par la méthode récurrente d'Edman, Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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par comparaison et recouvrements on en déduit l'ordre des peptides et la séquence de la protéine. • Détermination de la composition brute A chaud, on réalise une hydrolyse acide par l'HCl 6N pendant 24 à 48 heures. Les aminoacides sont libérés par rupture des liaisons peptidiques. Cette méthode détruit le tryptophane. La solution obtenue est étudiée en chromatographie sur résine échangeuse d'ions. Le résultat paraît sous forme de pourcentage d'acides aminés. 3.2. Détermination des acides aminés terminaux L'amino-peptidase et la carboxy-peptidase rompent les liaisons voisines des acides aminés Nterminal (le seul NH2 libre de la chaîne) et C-terminal (dernier acide aminé de la chaîne). Les deux acides aminés sont identifiés en chromatographie d'échanges d'ions. 3.3. Analyse de la séquence - analyse récurrente d'Edman C'est la seule méthode existant actuellement, elle nécessite l'isothiocyanate de phényl (ITCP). Ce composé va s'associer à la fonction aminée d'un résidu amino-terminal. Un dérivé cyclique est alors formé et va se détacher du peptide. C'est ce dérivé qui va être identifié en chromatographie échangeuse d'ions. On est donc à peptide n-1. Il est apparu un nouvel aminoacide terminal qui va à son tour être associer à un ITCP... La méthode récurrente d'Edman peut donc permettre de déterminer jusqu'à 50 acides aminés environ et est effectuée par des séquenceurs automatiques. Clivage en peptides plus petits De ce que l'on vient de voir, il semble donc évident qu'il faut découper la protéine en peptides d'environ 50 résidus aminoacides. Ces clivages seront donc réalisés en des endroits précis supposés régulièrement répartis. Hydrolyse chimique Une rupture peut être effectuée après chaque méthionine (donc du côté carboxylique) par le bromure de cyanogène Hydrolyse enzymatique La trypsine clive les liaisons peptidiques du côté carboxylique des acides aminés lysine et arginine (coupure des liaisons lysil et arginyl). La pepsine clive les liaisons, côté carboxylique, de la glutamine. La chymotrypsine clive les liaisons, côté carboxylique, de la tyrosine. Il faut réaliser ces clivages sur différents aliquotes pour obtenir 2 ou 3 patrons de coupe différents dans la protéine. Reconstitution de la séquence protéique On connait donc les 2 acides aminés terminaux et des analyses des recouvrements de séquence des familles de peptide étudié par la méthode récurrente d'Edman. La séquence est déterminée en étudiant les chevauchements des séquences partielles obtenues. Méthode d'évaluation globale de toutes les protéines présentes dans une cellule en un instant précis

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L'ensemble des protéines d'une cellule ou d'un tissu dans un état physiologique particulier constitue le protéome. Il y a 2000 à 10 000 protéomes pour un gènome. Pour identifier ces protéomes, deux techniques sont utilisées : électrophorèse bidimensionnelle + cartographie exhaustive des protéines +/- identification en spectrophotométrie de masse. L'électrophorèse bidimensionnelle, méthode protéomique, utilise deux critères de séparation des protéines: PM et pHi. L'isoélectrofocalisation est la première étape de cette électrophorèse. Le dispositif est composé d'un gel cylindrique (ou en bandelette) possédant un gradient (pH 4 à 10 par exemple), le plus élevé étant en haut du cylindre. Le nom de cette technique se justifie par le fait que les protéines se focalisent à leur point isoélectrique : iso-électro-focalisation. Le cylindre d'électrophorèse est secondairement placé à l'horizontal. Il va être assimilé à un support de dépôt pour une seconde électrophoèse. Ici les protéines vont migrer selon leur PM sur un gel de polyacrylamide-SDS. Le résultat des deux électrophorèses présente un ensemble de spots protéiques individualisés, une cartographie protéonomique. En ordonnée on aura donc le PM des protéines et en abscisse, on a leur pHi. La spectrophotométrie de masse est utilisée pour identifier la protéine étudiée. On va bombarder les peptides avec un laser, ce qui va leur donner une certaine énergie leur permettant de "voler" dans l'enceinte. Le temps de vol est proportionnel à leur masse, sa mesure est très précise permettant de mesurer une différence de quelques atomes. Méthodes d'étude des protéines utilisées pour le diagnostic biologique Elles présentent toutes un point commun : la nécessité d'une centrifugation initiale pour séparer cellules sanguines, plasma, sérum. Dosage des protéines totales sériques C'est la méthode du biuret qui est utilisée. On détermine un taux de 60-70g/L de protéines circulantes dans le sang. Electrophorèse des protéines du sérum pour anomalie de répartition Elle se réalise sur gel d'agarose à pH 8,6 et est révélée au bleu colloïdal. Les 100 protéines du sérum, suite aux résultats, sont séparées en 5 fractions : l'albumine: très présente, cette holoprotéine est un transporteur de nombreuses substances et joue un rôle important dans le maintien de la pression osmotique, les α 1 globulines, les α 2 globulines (nombreuses protéines de l'inflammation), les β globulines (notamment protéines du complément), les γ globulines (majorité des anticorps, immunoglobulines). Mise en évidence d'une protéine spécifique Elle s'effectue par le western blot ou immunoblot. Un extrait protéique est déposé sur un gel de polyacrylamide contenant du SDS et après Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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électrophorèse, on transfére les protéines sur une membrane. Il y a alors mise en présence de l'anticorps spécifique marqué par un fluorochrome (ou autre). Dosage d'une protéine spécifique dans le plasma Le dosage quantitatif est fréquemment réalisé par la méthode Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay : ELISA. Sur un support solide est fixé un premier anticorps. Il va capturer la protéine qui lui est spécifique parmi le sérum. Suite à un lavage on ajoute un second anticorps couplé à un système de détection qui se fixera sur la protéine, révélant sa présence par addition du substrat. Relation structure-fonction, modifications Co et post-traductionnelles •

Protéines fibreuses

Elles sont également nommées protéines fibrillaires. Elles constituent un tiers des protéines des vertébrés supérieurs. Elles ont une fonction dans la protection externe en étant les composants majeurs des couches les plus externes de la peau, des ongles, cheveux, corne. Elles interviennent aussi dans l'architecture des organismes par l'importance de leur présence dans les tissus conjonctifs, les tendons, les cartilages, les os, parfois dans le squelette intracellulaire (kératine). On les trouvera aussi participant à la mobilité cellulaire (myosine, tropomyosine). Quelques protéines fibreuses participeront à des processus physiologiques comme la coagulation sanguine (c'est le cas du fibrinogène par exemple). Elles sont donc majoritairement insolubles ou peu solubles dans l'eau. Les protéines fibreuses se distinguent des protéines globulaires par la monotonie de leur structure secondaire, elles ne comportent qu'un motif sur toute la longueur de leur chaîne. Les structures tertiaires et quaternaires ne les concernent donc pas. Elles compensent ce déficit en se juxtaposant pour créer des architectures dites de "degré d'organisation supérieur". Kératine α Elle tient son nom de sa forme caractéristique composée de longues hélices α. On la trouve en forte quantité dans la peau, les phanères et les ongles. Elle y parait ordonnée mais elle peut être trouvée sous une forme désordonnée dans le cytoplasme des cellules. Cette forme désordonnée est expliquée par l'absence de ponts disulfures dans le cytoplasme. Insoluble, sa chaîne polypeptidique est riche d'acides aminés à radicaux hydrophobes (ou peu solubles) : phénylalanine, isoleucine, valine, méthionine, alanine et quelques pourcents de cystéine. Comme ces chaînes sont orientées vers l'extérieur, vers l'eau, la partie externe des fibrilles de kératine α est hydrophobe donc insoluble. La kératine des phanères est organisée en structure complexe. 3 hélices α s'enroulent pour former Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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une protofibrille de diamètre: 20 angström. 11 protofibrilles s'associent pour former une microfibrille (diamètre : 80 angström). La réunion de plusieurs microfibrilles donne une macrofibrille, et celle-ci associée à d'autres macrofibrilles formera un cheveu/poil. Protofibrilles et microfibrilles pourront être stabilisées entre elles par des ponts disulfures (donc intercaténaires). On distingue, in fine, trois niveaux d'organisation protéique: la structure primaire, la structure secondaire et le surenroulement des hélices et juxtapositions. La solidité des fibres est due à la présence de ponts disulfures. L'élasticité des fibres est fonction des liaisons hydrogènes. Chauffées en milieu humide et étirées, les hélices de la kératine doublent de dimension pour prendre la configuration d'un feuillet β plissé. Les ponts disulfures disparaissent et le nombre de liaisons hydrogènes diminue fortement laissant la structure polypeptidique atteindre cette configuration dans une certaine stabilité. Le collagène Le collagène est ubiquitaire et est donc le polypeptide le plus abondant chez les vertébrés supérieurs. On le trouve plus spécifiquement dans la peau, le cartilage, les ligaments, les tendons, les parois vasculaires, les os et les dents. Sa grande résistance à la traction est sa caractéristique principale ( une fibre d'1 mm de diamètre peut résister à une traction de 10 kg). Il existe différentes sortes de collagène qui ont une organisation spécifique de leurs tissus. Ainsi le collagène de type I est le plus représenté constituant 90% du collagène corporel. Il entre dans la composition des tissus conjonctifs, comme les collagène de types II et III. Chaque subunité est longue de 300 nm. Comme pour la kératine, les subunités de collagène sont faites de trois chaînes polypeptidiques (1000 acides aminés chacune) qui se juxtaposent et s'enroulent pour former une super hélice gauche. Elle est très résistante et peut comporter à ses extrêmités des cristaux d'hydroxyapatite, dans le tissu osseux. Le collagène est une protéine à la composition particulière car contenant des acides aminés hydroxylés. Elle est très riche en glycocolle puisque près d'un tiers des acides aminés en sont. Elle contient également de l'alanine (11%), proline (12%), lysine, OH-proline (9%), OH-lysine. L'hydroxylation de ces deux derniers acides aminés est co-traductionnelle et s'effectue par une hydroxylase en présence de vitamine C. Il est ici présent en tant que cofacteur. Son déficit est à l'origine des troubles du scorbut, donnant un collagène défectueux. La conformation en hélice gauche est la résultante de l'importante présence de proline et OH-proline, acides aminés cycliques. De façon post-traductionnelle il peut aussi y avoir addition d'oses sur les OH-lysines. La présence non négligeable de lysine et OH-lysine est à l'origine de la stabilité des fibrilles de collagènes. En effet, des liaisons transversales intramoléculaires et intermoléculaires covalentes vont se mettre en place entre ces deux aminoacides. Ces ponts covalents s'établissent par des réactions chimiques complexes et seront en nombres variables d'un tissu à l'autre. Le nombre de pontage augmentant est responsable d'une plus grande rigidité: c'est ce qui passe avec le cartilage et l'avancée dans l'âge. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Les fibroblastes, cellules peu différenciées, synthétisent le collagène en plusieurs étapes. D'abord, 4 étapes intracellulaires : synthèse traductionnelle d'une chaîne peptidique plus longue que la subunité de collagène, hydroxylation des lysines et prolines en présence de vitamine C, addition de quelques oses aux OH des OH-lysines (O-glycosylation dans l'appareil de Golgi), formation du procollagène à extrêmités dépassantes et sa structure en triple hélice. Puis, 4 étapes extra-cellulaires : sécrétion du procollagène dans le milieu extra-cellulaire, coupure des extrémités aboutissant à la subunité de collagène, association des molécules de collagène créant les fibres, formation des ponts covalents entre des chaînes latérales d'OH-lysine entre chaînes et molécules voisines : on obtient le collagène mature. L'élastine : Elle est caractérisée par son extensibilité. On la trouve donc massivement dans les fibres élastiques, pouvant atteindre plusieurs fois sa longueur en étant étirée et retrouver rapidement ses dimensions et forme d'origine. Elle trouve donc aisément sa place dans les tissus conjonctifs élastiques aux côtés du collagène et de polyosides. Par ses qualités elle sera également trouvée à juste titre dans les parois des vaisseaux sanguins (permettant la modulation de la force du pompage pulsatile du sang par le coeur) et dans les poumons. La tropo-élastine de 800 acides aminés est la subunité de l'élastine. Sa composition est proche de celle du collagène : 30% de glycine, 30% d'alanine et de valine, de nombreux résidus lysines et prolines aux extrémités. Elle ne contient donc pas d'OH-prolines et d'OH-lysines, donc on n'observe pas les liaisons covalentes de type collagène mais des liaisons covalentes caractéristiques : des ponts desmosines s'établissant entre les lysines (4) des sous-unités. En fait les lysines et arginines sont en bout de segment et les radicaux de 4 lysines sont transformés en desmosine. Ainsi les chaînes de tropo-élastine sont unies et peuvent être étirées de façon réversible. L'élastine est aussi caractérisée par son absence de forme : elle est amorphe. Elle ne comporte pas de structure secondaire. Protéines de la matrice cellulaire et du tissu conjonctif : Trois composants majeurs entrent dans la constitution du tissu conjonctif : collagène, élastine et protéoglycanes. Les deux premiers composants sont des protéines fibreuses présents dans la plupart des tissus conjonctifs. Les Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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protéoglycanes correspondent à des protéines liées par covalence à des glucides (90% de glucides). Ces trois constituants sont en étroites relations pour constituer tissu conjonctif et matrice cellulaire. •

Protéines globulaires

Elles se différencient des protéines fibreuses par : une structure primaire présentant la plupart des 20 acides aminés protéinogènes, donc variée, une structure secondaire tout aussi riche et diversifiée, une structure tertiaire lui conférant la configuration spatiale nécessaire à sa fonction biologique, une structure quaternaire facultative mais à rôle biologique quand elle est présente. Protéines globulaires solubles La myoglobine La structure de la myoglobine est composée d'hélices α reliées par des coudes, soit 8 segments séquences. Le plus long segment possède 23 acides aminés et le plus court en possède 7. Sa fonction est de mettre en réserve l'oxygène dans la cellule musculaire. La triose phosphate isomérase TPI La triose phosphate isomérase une enzyme de la glycolyse permettant l'interconversion entre le glycéraldéhyde-3-P et la dihydroxyacétone phosphate. Elle a donc une fonction de catalyse enzymatique. Sa structure secondaire présente en alternance 8 hélices α amphiphiles et 8 brins β reliés entre eux. Cet ensemble s'organise en un tonneau plaçant les hélices en extérieur et les brins en interne, tapissant la cavité centrale qui accueille le substrat. C'est une structure fréquente chez les enzymes de la glycolyse. La protéine de transport du rétinol (RBP) Cette protéine est plasmatique, comporte 182 acides aminés. Sa structure secondaire est constituée de 8 brins β anti-paralléles. On retrouve la configuration en tonneau à intérieur hydrophobe recevant le ligand transporté, le rétinol (ou vitamine A liposoluble). Elle le transporte du foie jusqu'aux tissus utilisateurs, c'est un transporteur plasmatique. La calmoduline (Calcium modulated protein) La calmoduline capte le calcium des cytoplasmes permettant la mesure du Ca2+ intracellulaire et la diffusion de l'information aux protéines actives sensibles au calcium. Sa structure secondaire organise les 148 acides aminés en hélices α uniquement. Elle comporte deux domaines globulaires de 3 hélices α chacun. Il sont reliés par un connecteur qui pourra être fait d'une ou de deux hélices α selon que du Ca2+ soit fixé ou non. Chaque tête globulaire est capable de fixer 2 atomes de Ca2+ , soit Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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4 atomes de Ca2+ par calmoduline. Quand il n'y a pas de calcium, le connecteur est sous forme compacte donc présente le motif héliceboucle-hélice. En présence de calcium, la molécule s'étire pour le fixer (connecteur : 1 hélice α), laissant apparaitre deux zones non polaires riches en méthionine, zones liant les protéines cibles par interactions hydrophobes. Quand la liaison calmoduline-protéine cible est en place, le connecteur retrouve une forme compacte : hélice-coude-hélice (coude de 4 acides aminés, selon un angle de 100°), enfermant la protéine cible. Protéines membranaires : 50% de la masse d'une membrane plasmatique est constituée par les protéines (cf cours sur les membranes histo Mr Macé). Deux types de protéines membranaires existent : les protéines périphériques, en contact avec une seule face de la membrane, les protéines intégrales, transmembranaires. Elles comportent une zone hydrophobe transmembranaire (chaînes latérales hydrophobes non polaires), une zone extra-membranaire polaire et hydrophile, une zone intra-membranaire polaire et hydrophile. Les liaisons peptidiques polaires forment entre elles des liaisons hydrogène diminuant leurs possibilités d'interaction répulsive avec l'environnement hydrophobe. Les protéines membranaires traversant plusieurs fois la membrane ont une chaîne polypeptidique faite d'une série d'hélice α hydrophobes. •

Modifications co-traductionnelles et post-traductionnelles des protéines

Certaines protéines nécessitent, suite à leur synthèse, des modifications pour acquérir leur activité biologique (ou être inactivées) dans leur conformation spatiale ou leur composition. Ces modifications seront co- ou post-traductionnelles, enzymatique ou non, réversibles ou non. Modifications non enzymatiques Glycation NON enzymatique, elle concerne toutes les protéines et augmente avec la glycémie (plus forte disponibilité en oses). Les fonctions amines des protéines longtemps exposées au glucose extracellulaire vont être glyquées. La première étape du processus est la formation réversible d'une base de Schiff. Le réarrangement d'Amadori la rend stable. Le dosage de l'hémoglobine glyquée (durée de vie des globules rouges : 4 mois) permet ainsi la mesure d'une glycémie sur trois mois permettant le suivi thérapeutique des diabétiques. Les composés obtenus sont toxiques. Ce processus n'est pas à confondre avec la glycosylation, processus enzymatique d'ajout de glucide à une protéine dans des conditions physiologiques cellulaires normales. Oxydation Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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C'est un phénomène à ne pas négliger car responsable de l'accumulation de protéines endommagées et parfois non fonctionnelles. Cette oxydation de certains radicaux est irréversible sauf pour la méthionine. Elle sera oxydée en méthionine sulfoxyde mais pourra enzymatiquement être régénérée. Modifications enzymatiques Glycosylation des protéines C'est l'une des plus importantes modifications post-traductionnelle. Sont particulièrement concernées les protéines sécrétées et les protéines membranaires. Elle semblerait protéger des protéases et joue un rôle dans la fonction biologique de la protéine. La N-glycosylation est co-traductionnelle et se déroule dans le réticulum endoplasmique. Elle se fait avec la fonction amide de l'asparagine, asparagine localisée dans un séquence particulière. Une "copule glucidique" est formé par les glucides ajoutés, il s'agit d'un oligosaccharide aux tailles et formes variables. Ces copules ont toujours un motif commun, le pentasaccharide : N-acétylglucosamine -- N-acétylglucosamine -- mannose -- 2 mannoses La O-glycosylation est post-traductionnelle et s'effectue dans le trans-golgi-network. L'accepteur glucidique sera le radical d'une sérine ou thréonine, voire d'une 5-hydroxylysine pour les collagènes. Le premier ose fixé est toujours une N-acétyl galactosamine. On peut ajouter jusqu'à 15 oses différents. Elle s'effectue sur un grand nombre d'accepteurs situés dans une même région. Parfois cette glycosylation peut aboutir à des protéines dont 50% du poids moléculaire correspond à des oses. C'est par exemple le cas des mucines au rôle protecteur des muqueuses aériennes et digestives. Une telle impotance en glycane les rend très hydrophiles et résistantes aux enzymes protéolytiques. La glycosylation, en outre, participe activement à la reconnaissance entre cellules, à la structure des récepteurs des membranes plasmiques, à l'adressage des protéines vers leur destination cellulaire définitive. Acylation des protéines C'est la fixation d'un lipide. 4 types existent : myristoylation: +1 acide myristique, palmitoylation: +1 acide palmitique, glypiation: +1 phosphatidylinositol, farnésylation ou géranylation: +1 dérivé de chaînon isoprène comme le farnésyl (15C) ou le géranyl. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Cette fixation se fait avec des enzymes spécifiques de l'acide aminé accepteur et du lipide. Les acides aminés accepteurs ne sont pas toujours les mêmes mais varient en fonction de la copule lipidique à ajouter. Elle est soit co-traductionnelle et se déroulera dans le réticulum endoplasmique, soit posttraductionnelle et se déroulera dans le golgi cis. cette acylation permettra l'ancrage à la face interne ou externe des membranes plasmiques ou aux membranes des organites intracellulaires, selon la copule. •

Modifications post-traductionnelles régulant l'activité biologique

Par clivage protéolytique limité Irréversibles, ces réactions peuvent activer ou inactiver des protéines. Ce clivage provoque des changements de conformation créant l'apparition ou disparition des propriétés biologiques. Ce clivage s'effectue sur une liaison sensible séparant le peptide inhibiteur/activateur du reste de la protéine, permettant ainsi un remaniement de la structure tertaire (modifications des liaisons H et de van der walls). Ce type de régulation est présent dans de nombreux mécanismes cellulaires et extracellulaires. citons par exemple le "zymogène" forme inactive d'enzymes digestives protéolytiques : pepsine, trypsine, chymotrypsine. L'enzyle deviendra active en arrivant dans le tube digestif. On retrouvera également ce type de régulation dans les systèmes du complément, de la coagulation, de l'angiotensine. Par phosphorylation/déphosphorylation Réversible, la fixation par liaison covalente d'un groupement phosphate (sur un groupement OH du radical de Ser, Thr ou Tyr) peut activer ou inhiber l'activié biologique d'une protéine. C'est une protéine kinase qui phosphoryle. La déphosphorylation est réalisée par une phosphatase. Cette modification chimique est secondaire. C'est son influence par modification des charges électriques des atomes et remaniement des liaisons H, forces de Van der Walls et liaisons ioniques qui importe. Ce changement de conformation va influencer l'affinité de la protéine pour son ligand. On retrouve ce mode de régulation dans beaucoup de réactions du métabolisme cellulaire. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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2. Enzymes : Pouvoir catalytique et cinétique des enzymes : • La catalyse : En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente ou diminue la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais est régénéré à la fin de la réaction. Il ne fait donc partie ni des réactifs ni des produits dans l'équation. Lorsqu’un catalyseur est utilisé pour accélérer une transformation, on dit que celle-ci est catalysée. Les catalyseurs agissent seulement sur des produits prédéterminés. Si un catalyseur accélère la réaction, il est dit positif; S'il la ralentit, il est dit négatif. Les catalyseurs sont largement utilisés dans l'industrie et en laboratoire parce qu'ils augmentent considérablement la production des produits tout en minimisant les coûts de production. Dans la nature et en biochimie, certaines protéines possèdent une activité catalytique. Il s'agit des enzymes. • Le site actif : La fonction des enzymes est liée à la présence dans leur structure d'un site particulier appelé le site actif qui a la forme d'une cavité ou d'un sillon. Les molécules sur lesquelles agit une enzyme sont définies comme les substrats de la réaction enzymatique. Chaque enzyme « reconnaît » spécifiquement une ou plusieurs molécules de substrat selon un principe de complémentarité de type clé-serrure, d'après la projection de Fischer, grâce à des sites de reconnaissance et de fixation situés à sa surface. Ce modèle statique a été affiné, par exemple en modèle dynamique, où l'enzyme n'est plus complémentaire de son substrat dans son état fondamental, mais dans son état actif : le substrat modifie légèrement la conformation de l'enzyme. C'est ce qu'on appelle l'ajustement induit de Koshland, bien étudié dans le cas des hexokinases par exemple.

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• Energie d’activation et enzymes : Comment l'enzyme diminue l'énergie d'activation ? L'enzyme, lors de son interaction avec le substrat, modifie la réactivité moléculaire en formant un complexe enzyme-substrat, elle forme un état intermédiaire. Il existe en effet au sein de ces structures en 3D que sont les enzymes des sites de fixation où le substrat se fixe et des sites de réaction (ou catalyse) où la réaction est facilitée. Ces sites sont constitués de radicaux d'acides aminés formant la chaine protéique de l'enzyme. Ces acides aminés rapprochés grâce au repliement dans l'espace de la chaine protéique forment le site actif, il peut être activé par des ions magnésiums par exemple. Donc, l'enzyme facilite la réaction du substrat en diminuant l'énergie d'activation, ceci en passant par un ou plusieurs états intermédiaires.

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• Vitesse de réaction enzymatique : La vitesse de réaction enzymatique est mesurée à partir de la quantité de produit formé ou de réactif disparu par unité de temps. L’évolution de la vitesse enzymatique est présentée par le graphique cidessous : quantité produit formé en fonction du temps [P] = f(t). Sur ce graphique la vitesse correspond au coefficient directeur de la droite. La vitesse est donc constante est maximale en début de réaction (lorsque la pente est maximale). Durant la phase stationnaire (quand la pente est linéaire et maximale), la vitesse est constante : on l'appelle vitesse initiale. C'est une phase de la réaction où un nombre maximum des molécules de l'enzyme sont liées à des molécules de substrat. Le rapport enzyme lié sur enzyme total est maximum. Dans ces conditions, l'efficacité catalytique de l'enzyme est la plus grande, donc la vitesse initiale est la plus grande de toutes les vitesses qu'on peut mesurer en fonction des phases de la réaction.

De nombreux facteurs peuvent modifier la vitesse de réaction enzymatique : les concentrations en enzyme et en substrat ; les concentrations en ions métalliques (inhibiteurs compétitifs); les caractéristiques physico-chimiques du milieu de réaction (température, pH, ...) ; la présence d'inhibiteurs de la réaction enzymatique. La réaction enzymatique dépend des caractéristiques physico-chimiques du milieu de réaction : - la température : en conditions optimales, elle doit approcher en général les 37 à 38 °C. Ces valeurs sont indicatives d'enzymes d'animaux à sang chaud, soit presque la température du corps. À l'inverse, si la température dépasse les 60 °C, l'enzyme est dénaturée (rupture des liaisons hydrogènes situées dans des parties variables de la protéine), il y a modification du site actif, et la réaction ne peut pas avoir lieu. Si la température est en dessous de 5 °C, l'enzyme est inactivée car l'agitation moléculaire provoquée par la chaleur est limitée : les molécules de substrat et les enzymes se rencontrent difficilement. Il existe des enzymes thermostables, telles que par exemple l'ADN polymérase utilisée dans la PCR.

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- le pH : selon les réactions, le complexe E/S devra se faire le plus proche possible du pHi (ou pH isoelectrique) plus vite à pH neutre, comme pour l'hydrolyse de l'amidon, à pH acide, environ 2, pour la pepsine par exemple, ou encore à pH basique, 8 pour la trypsine. L'état de protonation soit du site actif soit du site de liaison peut en effet être critique dans l'activité de l'enzyme. À l'inverse, certaines enzymes sont relativement peu sensibles aux variations de pH. Néanmoins, sous un pH "extrême" (13-14) l'enzyme est dénaturée comme pour une température dépassant 60 °C. • Km constante de Michaelis représentation de michaelis et menten : L'affinité de l'enzyme pour son substrat est donnée par son Km ou constante de Michaelis dans le cas d'une enzyme simple, à un seul site de fixation (enzyme dite michaélienne). Celle-ci est définie comme la concentration de substrat pour laquelle la vitesse de réaction enzymatique est la moitié de la vitesse de réaction maximale. Le Km est représenté par le graphique ci-dessous : Vitesse initiale = f ([substrat]) ou Représentation de Michaelis-Menten

Ce graphique montre la variation de la vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration initiale en substrat. Ce graphique n'est PAS une droite. La première partie de la courbe peut être assimilée à une droite (car la vitesse augmente proportionnelement avec la concentration en substrat) mais ensuite la vitesse initiale n'augmente plus proportionnellement à la concentration en substrat. La courbe se stabilise finalement à une vitesse maximale (plateau) quelque soit la concentration en substrat. Au niveau de ce plateau, l'enzyme est saturée en substrat. Ce graphique permet de déterminer • la vitesse maximale : c'est la vitesse atteinte par la réaction pour de grandes concentrations en substrat. • La constante de Michaelis : c'est la concentration en substrat qui permet d'obtenir la moitié de la vitesse maximale (c'est aussi une bonne approximation de l'affinité de l'enzyme pour son substrat). Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Selon le modèle de Michaelis et Menten, l'équation décrivant la vitesse de réaction enzymatique est la suivante :

De cette équation on peut obtenir la relation suivante

qui

permet d’établir la représentation de Lineweaver et Burk (graphique ci-dessous).

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Régulation de l’activité des enzymes •

Les inhibiteurs

Un inhibiteur est une substance qui diminue la vitesse d'une réaction catalysée par une enzyme. En se liant sur une enzyme, un inhibiteur peut empêcher la fixation du substrat sur le site actif, ou provoquer une déformation de l'enzyme qui rend celle-ci inactive (inhibiteur allostérique). L'inhibition des enzymes joue un rôle important dans le contrôle des mécanismes biologiques, et notamment dans la régulation des voies métaboliques. En enzymologie, les inhibiteurs sont très utilisés pour déterminer le mécanisme d'action d'une enzyme. Des applications existent dans de nombreux autres domaines : beaucoup de médicaments, pesticides ou insecticides sont des inhibiteurs enzymatiques. L'affinité d'un inhibiteur pour une enzyme est donnée par la constante d'inhibition Ki, qui représente la concentration en inhibiteur pour laquelle la moitié des sites enzymatiques sont occupés. Ainsi, l'affinité d'un inhibiteur est d'autant plus grande que le Ki est petit. Cette constante d'inhibition, exprimée en mole par litre correspond aussi à la constante de dissociation du complexe enzymeinhibiteur. On distingue généralement les inhibiteurs réversibles, qui se lient à l'enzyme par des liaisons de faible énergie, et les inhibiteurs irréversibles, qui se fixent de manière covalente. Inhibitions réversibles Inhibiteur compétitif Un inhibiteur compétitif possède généralement une ressemblance structurale avec le substrat et tous deux entrent en compétition pour se fixer sur le même site enzymatique (=effet isostérique). La réaction enzymatique est bloquée, soit parce que l'inhibiteur ne possède pas le groupement chimique transformé par l'enzyme, soit parce que la position de groupement chimique sur l'inhibiteur rend impossible sa reconnaissance par le site actif. Certains inhibiteurs compétitifs ne sont pas des analogues du substrat, et leur mode d'action est différent. L'inhibiteur ne se fixe pas sur le site actif, mais sur un autre site de liaison de l'enzyme. La fixation de l'inhibiteur entraîne une modification de la conformation du site de liaison du substrat, empêchant la reconnaissance entre l'enzyme et le substrat. Inversement, la liaison du substrat sur l'enzyme empêche la fixation de l'inhibiteur: ces deux molécules s'excluent mutuellement. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Schéma et équation de Michaelis-Menten dans le cas d'une inhibition compétitive :

Par rapport à l'équation classique de Michaelis-Menten, la vitesse maximale de la réaction reste inchangée, mais l'affinité de l'enzyme pour le substrat diminue car ce dernier ne peut pas se lier au complexe enzyme-inhibiteur. Dans le cas d'une inhibition compétitive, il est possible de lever l'inhibition en saturant l'enzyme en substrat. Inhibiteur incompétitif : Un inhibiteur incompétitif ne se lie sur l'enzyme qu'après fixation du substrat et empêche la formation des produits. Généralement, la liaison du substrat sur l'enzyme entraîne une modification de la conformation de l'enzyme, révélant ainsi un site de fixation pour l'inhibiteur. L'inhibiteur, en retour, modifie la conformation du site actif de l'enzyme, et empêche la réaction. Comme son nom l'indique, un inhibiteur incompétitif n'entre pas en compétition avec un substrat sur son site de fixation. En revanche, dans les réactions enzymatiques à plusieurs substrats, les inhibiteurs incompétitifs peuvent se fixer sur le site de liaison d'un des substrats. Schéma et équation de Michaelis-Menten dans le cas d'une inhibition incompétitive :

La vitesse maximale de la réaction diminue, mais l'affinité apparente de l'enzyme pour le substrat augmente. En effet, la formation du complexe enzyme-substrat-inhibiteur diminue le nombre de complexes ES et, d'après la Loi d'action de masse, favorise la liaison du substrat sur l'enzyme. Les effets d'un inhibiteur incompétitif ne se manifestent pas pour de faibles concentrations en substrat, l'enzyme étant majoritairement sous forme libre. Ainsi, ce type d'inhibition ne peut pas être levé en augmentant la concentration du substrat. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Inhibition par le substrat : L'inhibition par le substrat est un cas particulier de l'inhibition incompétitive où deux molécules de substrat peuvent se lier à l'enzyme, mais ne peuvent pas être transformées en produit. Schéma et équation de Michaelis-Menten dans le cas d'une inhibition par le substrat :

Inhibiteur non compétitif : Un inhibiteur non compétitif peut se lier à la fois, et avec une même affinité, sur l'enzyme libre et sur l'enzyme liée au substrat. Cependant, l'inhibiteur et le substrat n'entrent pas en compétition pour se fixer sur un même site : le substrat se lie au site actif, et l'inhibiteur à un autre site de fixation. L'inhibiteur entraîne une modification de la conformation du site actif, ce qui empêche la transformation du substrat en produit mais n'influe pas sur la reconnaissance entre l'enzyme et le substrat. Schéma et équation de Michaelis-Menten dans le cas d'une inhibition non compétitive :

La fixation d'un inhibiteur non compétitif diminue la vitesse maximale de la réaction, mais ne modifie pas l'affinité de l'enzyme pour le substrat, car ce dernier se lie aussi bien à l'enzyme libre qu'au complexe EI. Une inhibition non compétitive ne peut pas être levée par une augmentation de la concentration en substrat, puisque l'inhibiteur se lie aussi bien sur l'enzyme libre que sur le complexe ES.

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Les activateurs

Les activateurs sont des espèces qui augmentent l’activité enzymatique sans être eux-mêmes impliqués dans la réaction catalysée par l’enzyme. Ces espèces peuvent être nécessaire à l’activité catalytique de l’enzyme, tels que des groupements prosthétiques ou cofacteurs, ou ils peuvent augmenter l’activité spécifique d’une enzyme qui est déjà active (ex. ions inorganiques). À une concentration saturée et constante du substrat, des concentrations croissantes de l’activateur augmentent la vitesse initial de réaction; une vitesse limitante est atteinte à des concentrations élevées d’activateur. Dans certains cas, telle que l’activation par un groupe prosthétique, la séquence suivante de réactions peut servir comme modèle pour une description cinétique : Des séquences parallèles de réactions doivent être considérées si l’enzyme est catalytiquement active en absence de l’activateur. À l’exception des groupes prosthétiques ou co-facteurs, les activateurs ne sont pas généralement spécifiques et plusieurs espèces peuvent avoir le même effet d’activation sur une enzyme (ex. l’amylase est activé par une variété d’anions, incluant le Cl-). •

L’allostérie

L'allostérie (du grec ἄλλoς, allos : autre et στερεός, stereós : solide) est un mode de régulation de l'activité d'une enzyme par lequel la fixation d'une molécule effectrice en un site modifie les conditions de fixation d'une autre molécule, en un autre site distant de la protéine. Ce concept a été formalisé par Jacques Monod, Jean-Pierre Changeux et Jeffries Wyman dans une série d'articles, dont le plus important a été publié en 1965 dans Journal of Molecular Biology1. Principes de l'allostérie : La fixation de la molécule effectrice induit un changement de conformation spatiale de la protéine enzymatique. Autrement dit, la disposition spatiale de ses atomes constitutifs est modifiée. Dans le cadre de l'allostérie, cela a pour conséquence de modifier le site de liaison de l'un au moins des réactifs impliqués dans le processus de catalyse. Dans le modèle de MonodWyman-Changeux (MWC), les enzymes allostériques doivent présenter plusieurs propriétés : • elles sont multimériques, chaque protomère (ou monomère) fixe une molécule de ligand. • elles possèdent au moins un axe de symétrie. • elles existent sous deux conformations différentes : l'une appelée T, pour tendue, désignant conventionnellement la forme de faible affinité pour le substrat, l'autre R, pour relaxée, de forte affinité pour le substrat. • Au sein d'une protéine, les protomères adoptent tous la même configuration, R ou T (transition concertée). En d'autres termes, il n'existe pas d'hybrides R/T dans le modèle MWC2. Il existe une allostérie dite positive où la fixation d'un effecteur augmente l'affinité de liaison du ligand. On parle de fixation coopérative. La molécule effectrice peut être le ligand lui même, qui modifie dans ce cas l'affinité des autres sites de fixation (effet homotrope, par opposition à l'effet Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 181


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hétérotrope qui concerne des molécules de nature différente). Ce système est le système K (K est le symbole de la constante d'affinité), dont la courbe de la vitesse de réaction en fonction de la concentration en substrat est de type sigmoïde. Le cas inverse existe aussi : dans une allostérie négative la fixation de l'effecteur diminue l'affinité du ligand. Ce système est le système V (pour vitesse), dont la courbe représentative est de type hyperbolique. Exemple de l'hémoglobine : Changement de conformation de l'hémoglobine induit par fixation d'une molécule de dioxygène (effet homotrope). L'hémoglobine constitue un exemple important de protéine allostérique, bien qu'elle ne soit pas une enzyme stricto sensu mais plutôt une molécule de transport. Chaque monomère de l'hémoglobine, qui en comporte quatre, peut fixer une molécule de dioxygène. La fixation de la première molécule de dioxygène augmente l'affinité de liaison de la seconde, la fixation de la seconde augmente l'affinité pour la troisième et ainsi de suite (coopération positive par effet homotrope). Les effecteurs hétérotropes modifiant l'affinité de l'hémoglobine pour le + dioxygène sont : le proton H , le dioxyde de carbone et le 2,3 bisphosphoglycerate (un sous-produit de la glycolyse). Ces régulations ont très souvent un rôle physiologique important et peuvent mener, lors de leur dérèglement, à des troubles physiologiques. Ils agissent comme rapporteurs des conditions extérieures, des senseurs. Importance physiologique de l'allostérie : L'allostérie est une forme de régulation de l'activité d'une enzyme en fonction des conditions extérieures changeantes. On peut distinguer les effets de senseurs et de rétrocontrôle négatif: • Lorsque la glycolyse est soutenue, le 2,3 diphosphoglycerate s'accumule dans le globule rouge. Cette accumulation est un signal signifiant que l'utilisation d'énergie est en augmentation et que l'hémoglobine doit délivrer plus de dioxygène aux tissus. L'effecteur allosterique 2,3 diphosphoglycerate diminuant l'affinité du dioxygène pour l'hémoglobine, ce dernier se détache plus facilement et peut être délivré en plus grande quantité aux tissus. De la même manière, un pH acide, reflet d'un rejet accru de dioxyde de carbone, lui-même synonyme d'augmentation de l'activité physiologique, va provoquer une diminution de l'affinité de l'hémoglobine pour le dioxygène et donc un relargage au niveau des tissus, augmentant ainsi leur oxygénation. • L'effet de rétrocontrôle négatif est très souvent rencontré dans les voies métaboliques.

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Les iso enzymes et leur intérêt en biologie Définition : Les isoenzymes d'une enzyme se différencient par des variations de leur structure chimique. Responsables de la même réaction chimique dans l'organisme, elles se distinguent les unes des autres par des propriétés physicochimiques différentes (affinité pour le substrat, thermostabilité, etc.) et surtout par les organes où elles sont localisées. Intérêt clinique ! La créatine-kinase (CK) est une enzyme dimère qui se présente sous quatre formes : une isoenzyme mitochondriale et trois isoenzymes cytosoliques : CK-MM (type muscle), CK-BB (type cerveau) et CK-MB. Cette localisation, de même que l'augmentation de leur concentration dans le plasma, peut être utilisée à des fins diagnostiques. CKMM (type muscle), CK-BB (type cerveau) et CK-MB. Le dosage de la CK-MB massique dans le sérum est un élément important pour le diagnostic des ischémies du myocarde, comme par ex. l’infarctus du myocarde, la myocardite, etc. Mesure de l’activité des enzymes L’activité enzymatique c’est la quantité d’enzymes nécessaire pour transformer une quantité donné de substrat en un temps donné ; les différentes unités sont : L’unité officielle le katal ~ Quantité d’enzyme qui catalyse la transformation d’1mole de substrat par seconde Le plus souvent : L’unité internationale UI ~ Quantité d’enzyme qui catalyse la transformation d’1µmole de substrat en 1minute L’activité spécifique d’une enzyme (U /mg de protéine) définit : ~ L’activité totale en fonction de la quantité totale de protéine permet de définir l’état de pureté d’une enzyme au cours de sa purification.

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Coenzymes et vitamines Définition : A l'exception des hydrolases, la plupart des enzymes sont constituées de deux éléments : une apoenzyme, de nature protéique, donc codée par le génome, impliquée dans la reconnaissance du substrat et sa liaison, et un coenzyme, molécule organique de petite taille de nature non protéique. La combinaison du coenzyme et de l'apoenzyme forme l'hétéroenzyme (enzyme complète). Caractéristiques : Les coenzymes favorisent l'activité de l'enzyme, et sont même souvent indispensables. Beaucoup ne sont pas synthétisés par tous les êtres vivants, ce sont des facteurs de croissance ou des vitamines. Chez l'Homme et les organismes supérieurs, le coenzyme doit être apporté par l'alimentation tandis que chez les procaryotes, il existe des chaînes biosynthétiques permettant à la cellule de synthétiser tous les coenzymes nécessaires à leur survie à partir d'une source de carbone (glucide le plus fréquemment). Les chaînes de synthèse des coenzymes sont souvent très complexes, faisant intervenir plus d'une dizaine d'étapes. Un exemple de coenzyme qui ne soit pas une vitamine est donné par les complexes ferroporphyriques dont l'apoenzyme est un cytochrome (p450 par exemple) et dont la chaîne biosynthétique est conservée chez l'Homme. Il existe une vingtaine de coenzymes, pour plus de deux mille enzymes : la spécificité de la réaction dépend uniquement de l'apoenzyme et non du coenzyme. À l'inverse des substrats qui sont transformés en produit durant la réaction enzymatique, les coenzymes finissent toujours par retrouver leur état initial, parfois lors d'une seconde réaction enzymatique (ce sont des catalyseurs). Dans leur structure chimique, les coenzymes sont, pour la plupart, riches en électrons π (par un ou plusieurs noyaux cycliques) qui leur confèrent leur pouvoir catalytique. Ils réagissent stœchiométriquement (mole à mole) à la réaction enzymatique. Deux types de coenzymes Les réactions auxquelles participent les coenzymes sont des réactions de transfert (d'électrons, de protons, de groupement phosphate etc.) Ils servent d'accepteur temporaire. On distingue : Les coenzymes activateurs ou groupements prosthétiques Les groupements prosthétiques sont fortement liés à l'apoenzyme par des liaisons covalentes. Ils ne se détachent pas de l'apoenzyme au cours de la réaction (exemple : FAD). L'enzyme elle-même les remet en état initial. Les coenzymes transporteurs Les coenzymes transporteurs ou cosubstrats : ils se dissocient facilement de l'apoenzyme. Le coenzyme ne retrouve son état initial que lors d'une seconde réaction faisant intervenir une Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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deuxième enzyme (exemple : NAD, ATP). Quand l'enzyme est inactive, le coenzyme n'est pas fixé à l'enzyme. Classification des coenzymes Coenzymes d'oxydoréduction : Nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+/NADH,H+) ; Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+/NADPH,H+) ; Flavine mononucléotide (FMN/FMNH2) ; Flavine adénine dinucléotide (FAD/FADH2) ; Coenzyme Q (CoQ/CoQH2); Les cytochromes (Cyt[Fe3+]/Cyt[Fe2+]). Coenzymes de transfert de groupements : Adénosine triphosphate (ATP/ADP/AMP) ; Cytidine triphosphate (CTP/CDP/CMP) ; Guanosine triphosphate (GTP/GDP/GMP) ; Thymidine triphosphate (TTP/TDP/TMP) ; Uridine triphosphate (UTP/UDP/UMP) ; Coenzyme A (CoA-SH) ; Thiamine pyrophosphate (TPP) ; Acide lipoïque ou lipoate ; Pyridoxal phosphate (PALP) ; Biotine.

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Glucides :

Oses simples ou monosaccharides • Définition : Les oses (ou monosaccharides) sont les monomères des glucides. Ils ne sont pas hydrolysables. Tout comme les diholosides (ou disaccharides), ils possèdent un pouvoir sucrant, et sont solubles dans l'eau. On les distingue par la longueur de leur chaîne de carbone, comme suit : Les trioses oses à 3 carbones, C3H6O3 (glycéraldéhyde, dihydroxyacétone) Les tétroses oses à 4 carbones, C4H8O4 (érythrose, thréose, érythrulose) Les pentoses oses à 5 carbones, C5H10O5 (désoxyribose, ribose, arabinose, xylose, lyxose, ribulose, xylulose) Les hexoses oses à 6 carbones, C6H12O6 (allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, talose, psicose, fructose, sorbose, tagatose) Les heptoses : oses à 7 carbones, C7H14O7 sédoheptulose, mannoheptulose. • Propriétés physiques : Quelques uns ont une saveur agréable sucrée. Cependant il est faux de généraliser cette propriété: l'amidon par exemple, n'a aucun pouvoir sucrant. À l'inverse, d'autres composés n'étant pas des oses, tels la glycine ou l'acide aspartique (duquel dérive l'aspartame, bien connu des personnes surveillant leur ligne) par exemple, possèdent une saveur sucrée. Les oses sont par ailleurs de couleur blanchâtre et sont facilement cristallisables. •

Formule brute : Cn(H2O)n où n est un nombre entier représentant le nombre de carbones (de 3 à 7 pour les oses naturels) pour de nombreux oses, cependant il ne faut pas généraliser cette propriété. Par exemple, l'acide acétique, qui n'est en aucun cas un ose possède la formule brute CH3COOH soit C2(H2O)2. D'autre part, des dérivés d'ose, comme la glucosamine (qui possède d'autres atomes que le carbone, l'hydrogène et l'oxygène ; en l'occurrence, l'azote) ne présentent pas la propriété énoncée ci dessus valable pour de nombreux oses.

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• Structure acyclique : Un ose à n carbones est composé d'une chaîne carbonée non ramifiée, de 3 à 7 carbones, ne comportant que des liaisons simples. Tous les carbones portent une fonction alcool (OH) sauf un qui porte une fonction carbonyle. Cela détermine donc deux catégories d'oses : si la fonction carbonyle est une fonction aldéhyde, elle se trouve sur le premier carbone et il s'agit d'un aldose (par exemple le glucose). si la fonction carbonyle est une fonction cétone, elle se trouve sur le second carbone, et il s'agit d'un cétose (par exemple le fructose). Tous les oses possèdent un pouvoir rotatoire du fait de la présence d'au moins un carbone asymétrique: les oses sont dits chiraux. De fait, s'il y a x atomes de carbone asymétriques, il existe 2x paires d'énantiomères, diastéréoisomères entre elles. Chaque paire a un nom différent et les descripteurs D et L sont traditionnellement utilisés pour différencier chaque énantiomère.

Figure 1 : représentation de Fischer des formes D et L du glucose. Les deux sont symétriques par rapport à un plan. Deux énantiomères (antipodes optiques) ont les mêmes propriétés à l'exception d'une seule : leur pouvoir rotatoire opposé. La figure 1 représente les deux énantiomères du glucose, la forme Dglucose est la forme naturelle. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Les polycopiés de la première année des études de santé Dans la forme D, le groupement alcool (-OH) porté par le carbone

n − 1

est à droite (en

représentation de Fischer) ; Dans la forme L, le groupement alcool (-OH) porté par le carbone

n − 1

est à gauche (en

représentation de Fischer). •

Structure cyclique :

La projection de Haworth est souvent utilisée pour représenter la forme cyclique des oses. Il y a hémiacétalisation entre la fonction carbonyle et un OH, dès lors qu'ils sont distants d'au moins 3 carbones. (Ex : entre le carbone 1 et 5 du glucose ou entre le carbone 2 et 5 du fructose, ou encore entre le carbone 1 et 4 du ribose). Le OH né de la cyclisation est appelé OH anomérique ou anomère. Il donne lieu à un nouveau carbone asymétrique (le carbone porteur de la fonction carbonyle : n°1 dans le cas d’un aldose ou n°2 dans le cas d’un cétose) et selon qu'il est placé sous ou sur le plan du cycle il donne naissance à deux isomères alpha (α) ou beta (β) (alpha signifiant en dessous ; et beta au dessus). Une fois la chaîne carbonée repliée, la proximité de la double liaison de la fonction aldéhyde (ou cétone s’il s'était agit d’un cétose) permet, du fait de sa fragilité, la rupture de la liaison P et de la liaison OH de la fonction alcool (ici du C n°5), permettant l’établissement d’une nouvelle liaison C n°1 et O de l’ancienne fonction alcool du C n°5, fermant ainsi un cycle. Cycle sous forme furanique : Les oses se cyclisant généralement sous forme furanique (furane) sont : Le ribose donnant du ribofuranose ; Le 2-désoxyribose donnant du 2-désoxyribofuranose ; Le fructose donnant du fructofuranose.

Figure 3 : A droite se trouve la forme α du fructofuranose et à gauche la forme β du fructofuranose Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Cycle sous forme pyranique : Les oses se cyclisant généralement sous forme pyranique (pyrane) sont : Le glucose donnant du glucopyranose; Le galactose donnant du galactopyranose.

Figure 2 : cyclisation du D-glucose. Les formes cycliques sont des hémiacétals En série D, les formes béta ont toujours leur fonction alcool vers le haut sous la représentation de haworth. • Nomenclature : Ils peuvent se présenter sous forme cristalline. Les oses sont de deux types : Si la fonction carbonyle de l'ose est un aldéhyde c'est un aldose. Si cette fonction est une cétone, c'est un cétose (ou cétulose).

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• Les dérivés d'oses : Les polyalcools : Les polyalcools (ou polyols), sont obtenus par réduction de la fonction aldéhyde en alcool, c'est le cas par exemple du glycérol. Les osamines : Dans les osamines la fonction alcool (–OH) en C2 est remplacée par –NH2. On peut également lui rajouter un groupement acétyl. Les désoxyoses ou désoses : Ils sont créés par substitution d'hydrogène en remplacement du groupement hydroxyle, on peut noter l'exemple du désoxyribose. Les acides aldoniques : Ils sont formés par une oxydation dite "douce" (Exemples d'oxydants doux: Le réactif de Tollens ou la liqueur de Fehling) des aldoses et sont caractérisés par l'oxydation de la fonction aldéhyde en fonction carboxyle. Exemple: Acide Gluconique Oses complexes ou polysaccharides •

Quelques diholosides très importants

Le maltose : Ce diholoside est libéré par hydrolyse de l'amylose (voir ci-après), qui est un polymère de résidus glucose: il s'agit de l'a-D-glucopyranosyl-(1,4)-D-glucopyranose. Le lactose : C'est le sucre du lait, propre au règne animal, synthétisé dans les glandes mammaires. Il s'agit du b-D-galactopyranosyl-(1,4)-D-glucopyranose. Le saccharose : C'est un sucre extrémement représenté dans le règne végétal et tout particulièrement dans la canne à sucre et la betterave. Ainsi, on peut considérer le saccharose comme étant l'a-D-glucopyranosyl-b-D-fructofuranoside ou le b-D-fructofuranosyl-a-D-glucopyranoside.

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L'appellation de ce sucre explicite les 2 carbones impliqués (liaison 1,2 ou 2,1). La méthylation suivie d'hydrolyse donnera donc du 3,4,6 tri-O-méthyl-fructose et du 2,3,4,6 tétra-Ométhyl-glucose. Enfin, les solutions de saccharose présentent un pouvoir rotatoire mais pas le phénomène de mutarotation. Le cellobiose : Ce sucre provient de la dégradation de la cellulose. Il s'agit du b-D-glucopyranosyl(1,4)-D-glucopyranose. C'est donc un épimère du lactose (épimère en C4 du premier résidu de glucose). •

Deux triholosides: le gentianose et le raffinose

Ces triholosides sont dérivés du saccharose : • gentianose : dérivé b-D-glucopyranosyl, c'est donc le b-D-glucopyranosyl-(1,6)-a-Dglucopyranosyl-(1,2)-b-D-fructofuranoside • raffinose : dérivé a-D-galactopyranosyl, c'est donc l'a-D-galactopyranosyl-(1,6)-a-Dglucopyranosyl-(1,2)-b-D-fructofuranoside •

Les homopolyosides

L'amidon : C'est le polyoside de réserve des végétaux. L'amidon est en fait un mélange de deux polysaccharides: L'amylose : elle représente 15 à 30% de la masse de l'amidon. C'est un polymère linéaire de résidus glucose liés par une liaison a-(1,4)-D-glucosidique. Cette longue chaîne prend la forme d'une hélice (6 résidus de glucose par tour d'hélice), stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupements hydroxyle et les molécules d'eau. L'amylopectine : elle représente 70 à 85% de la masse de l'amidon. Elle diffère de l'amylose du fait qu'il s'agit d'un polymère ramifié: • les glucoses des chaînes: liaison a-(1,4)-D-glucosidique • branchements entre chaînes: liaison a-(1,6)-D-glucosidique Plusieurs résultats ont permis de cerner l'arrangement de l'amylopectine: • d'une part, la méthylation suivie d'hydrolyse donne environ 5% de 2,3-di-O-méthylglucose pour les points de branchement et également environ 5% de 2,3,4,6-tétra-O-méthylglucose aux extrémités réductrices. • par ailleurs, la b-amylase, enzyme capable de digérer l'amilopectine, hydrolyse environ 55% de l'amylopectine en maltose. Ces résultats et l'étude de certains modèles ont permis de montrer que l'on trouve en moyenne une ramification tous les 25 résidus et les branches contiennent une vingtaine de résidus. De plus les branchements sont plus ressérés du côté de l'extrémité réductrice de la chaîne. Enfin, certaines branches sont elles mêmes ramifiées.

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La cellulose : La cellulose est d'origine végétale seulement. C'est une substance de soutien, puisqu'elle est le constituant principal de la paroi des cellules jeunes des végétaux. C'est la biomolécule la plus importante en masse à la surface de la terre et elle contiendrait la moitié du carbone disponible sur la terre. Elle est constituée de longues chaînes linéaires (100 à 200 résidus) de glucose lié en b-(1,4). La cellulose n'est pas attaquable par les sucs digestifs des omnivores: l'homme est incapable de digérer la cellulose car il est dépourvu d'enzymes actifs sur les liaisons bglucosidiques. La cellulose se caractérise par une grande inertie chimique. De plus, les enzymes qui la dégradent, les cellulases, sont trés peu répandues : les ruminants, les escargots et certaines bactéries. Le glycogène : C'est le polyoside de réserve des animaux. Le stock principal se trouve dans le foie (200g pour un adulte) et dans les muscles (100 à 300 g). Le cerveau est un grand utilisateur de glucose : 100 mg/min, mais il ne possède qu'une réserve limitée de glycogène (10 à 20 g). Le glycogène ressemble beaucoup à l'amylopectine : il s'agit de chaîne de glucoses liés en a-(1,4) et de branchements en a-(1,6). Cependant les chaînes sont beaucoup plus courtes et la molécule de glycogène est plus dense. Le glycogène est dégradé par des amylases comme l'amidon. •

Les enzymes de dégradation des glucanes

Les enzymes de dégradation des glucanes sont: Les amylases qui coupent spécifiquement les liaisons a-1,4: Les b-amylases à -SH actif sont trouvées dans le monde végétal. Elles coupent une liaison sur deux à partir de l'extrémité non réductrice, libérant ainsi des unités maltosyle. Les bamylases ne coupent pas les liaisons a-1,6 et n'agissent donc que sur les chaînes externes des polysaccharides branchés. Les a-amylases sont des métalloenzymes et sont trouvées dans les deux règnes. Elles coupent les liaisons a-1,4 à l'intérieur des chaînes en formant des oligosides de petite taille (3 à 8 restes) qui peuvent contenir 1 ou 2 points de branchement puisqu'elles ne coupent pas les liaisons a-1,6. Les phosphorylases: elles attaquent les chaînes à partir des extrémités non réductrices, par phosphorolyse des liaisons a-1,4, avec libération d'a-D-glucose-1-phosphate. Les enzymes de débranchement: elles coupent les liaisons a-1,6 des points de branchement selon des modes différents en fonction de leur origine.

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Glycoprotéines et glycolipides Les glycoprotéines : Ces composés sont constitués d'une partie glucidique et d'une partie protéique. La partie glucidique varie, en poids, de 1 à 50% de la masse de l'ensemble. Les chaînes polysaccaridiques sont souvent ramifiées. Il existe des polysaccharides liés à O, comme le galactose lié au groupement hydroxyle d'une hydroxylysine dans le collagène. Cependant, les acides aminés impliqués sont souvent la sérine ou la thréonine. Les polysaccharides liés à N, sont unis par covalence à l'azote de la liaison peptidique de certaines asparagines. La glycosylation est un évènement post-traductionnel qui n'a lieu que chez les eucaryotes. Les protéines glycosylées sont destinées à être sécrétées ou à être intégrée à la membrane plasmique. Les glycolipides : Les glycolipides (ou saccharolipides) résultent essentiellement de l'estérification ou de l'amidification d'acide gras par des oses ou des sucres aminés. Par exemple la galactosphingosine où le lipide est un spingophospholipide et l'ose un galactose. Les glycolipides jouent un rôle dans la reconnaissance moléculaire au niveau des membranes celullaires

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Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse La glycolyse est la principale voie métabolique d’assimilation du glucose. Elle transforme une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate. La glycolyse constitue la première étape de dégradation du glucose, le pyruvate continuera sa dégradation en entrant dans le cycle de Krebs. La glycolyse est une voie métabolique importante pour certains types cellulaires comme les érythrocytes qui possèdent une seule source d'énergie : le glucose. Ils l’utilisent grâce à la glycolyse et surtout à la glycolyse anaérobie (90 %). La glycolyse se déroule dans le cytoplasme de la cellule en condition anaérobie.

Les étapes de la glycolyse (Activation des hexoses puis récupération de l’énergie) Elles sont au nombre de 10, celles en 3 étapes en rouge sont irréversibles  Activation des hexoses 1. Synthèse du glucose-6-phosphate

2. Isomérisation du glucose-6-phosphate en fructose-6-phosphate 3. Synthèse de fructose-1,6-biphosphate

4. Formation du glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) et du dihydroxyacétonephosphate (DHAP) 5. Isomérisation des triosephosphates (on obtient deux GAP)

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 Récupération de l'énergie 6. Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate 7. Synthèse de 3-phosphoglycérate et récupération d'ATP 8. Synthèse du 2-phosphoglycérate 9. Synthèse du phosphoénolpyruvate 10. Synthèse de pyruvate et récupération d'ATP

 Bilan de la Glycolyse : Le bilan de la glycolyse est faible il produit deux molécules d’ATP pour une molécule de Glucose (sans tenir compte de la réoxydation des coenzymes d’oxydoréduction réduits NADH ; H+ au sein de la chaîne respiratoire mitochondriale ce qui ferait alors 8 molécules d’ATP).

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Régulation : La glycolyse est principalement régulée au niveau de 3 enzymes clés qui sont l’Hexokinase, PFK-1 et la pyruvate kinase.

Régulation de l’Hexokinase (HK) :

Inhibée par son produit le Glucose-6Phosphate et par le Glucagon (hormone hyperglycémiante) qui s’oppose donc à la lyse du glucose. Activée par Insuline (hormone hypoglycémiante)

Régulation de la phosphofructokinase1 (PFK-1) la PFK-1 est régulée de façon allostérique: L'ATP et le citrate agissent comme des inhibiteurs L'AMP et le F 2,6 di-P agissent comme des activateurs. La concentration en F 2,6 di-P est donc primordiale sur la glycolyse. Elle est régulée par la phosphofructokinase-2 dont l'activité sera différente selon son état de phosphorylation: • Par l'action du glucagon (hormone hyperglycémiante), elle sera phosphorylée et catalysera la réaction F 2,6 di-P + H2O -> F6P + Pi. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P diminuera et la glycolyse sera ralentie. • Par l'action de l'insuline (hormone hypoglycémiante) elle sera déphosphorylée et catalysera la réaction F6P + ATP -> F 2,6 di-P + ADP. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P augmentera et la glycolyse sera accélérée. • •

Régulation de la pyruvate kinase (PK) Activé par le F-1,6-Bi P et ADP (l’ADP signal un niveau énergétique cellulaire bas, l’ADP signal un manque en ATP et donc stimule la glycolyse) Inhibée par l’ATP (l’ATP signal un haut niveau énergétique cellulaire, s’il y a le l’ATP en forte concentration la cellule n’aura pas besoin de produire d’avantage d’énergie et donc la glycolyse est freinée). Au niveau du foie, elle est également régulée de façon covalente (par l'action d'hormones) • Le glucagon va phosphoryler cette enzyme pour l'inhiber • L'insuline va réaliser l'action inverse pour l'activer.

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Destinée du pyruvate et réutilisation du coenzyme NAD réduit Il est important de comprendre que la glycolyse cesse lorsque les coenzymes ne sont pas réoxydés sous la forme NAD+. Sans ces coenzymes, l'étape n°6 catalysée par l'enzyme D-glycéraldéhyde-3phosphate déshydrogénase (GAPDH° ne peut se produire, provoquant l'arrêt de la glycolyse. Il est donc crucial de régénérer ces coenzymes. Il existe deux voies métaboliques principales pour cela :

L'une ne

nécessite pas de dioxygène, et est appelée fermentation. Il en existe de plusieurs sortes : fermentation lactique (qui se produit dans le muscle non oxygéné), fermentation butyrique, alcoolique... Pour la fermentation lactique, (schéma cidessous), du lactate est produit dans les cellules musculaires par la LDH (lactate déshydrogénase) suivant la réaction suivante qui réoxyde le coenzyme NAD sous forme NAD+.

Puis le lactate une fois dans le foie peut être à nouveau converti en glucose et subir à nouveau la glycolyse : c’est le cycle de Cori. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26 197


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L'autre voie de réoxydation des coenzymes nécessite le dioxygène, qui joue le rôle d'accepteur d'électron final, et est appelée respiration, certains parlent de respiration cellulaire pour la différencier de la ventilation pulmonaire, bien que les contextes d'utilisation ne prêtent pas à confusion. Elle a lieu au niveau de la chaîne respiratoire des mitochondries (phosphorylation oxydative) chez les eucaryotes. Le bilan énergétique de la glycolyse suivie de la respiration (36 ATP) est environ 20 fois plus élevé que celui de la glycolyse suivie de la fermentation (2 ATP pour la fermentation lactique).

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Lipides :

Acides gras et dérivés : structure, rôle biologique • Définition Ce sont des molécules organiques insolubles dans l'eau (lipos) et solubles dans les solvants organiques apolaires comme benzène, chloroforme, éther, … Ils sont caractérisés par la présence dans la molécule d'au moins un acide gras ou chaîne grasse. Sont rattachés aux lipides, en raison de leur insolubilité dans l'eau, le cholestérol, les stéroïdes, la vitamine D, qui sont des dérivés polyisopréniques. • Rôle biologique Les lipides représentent environ 20 % du poids du corps. Ils sont une réserve énergétique mobilisable : 1g lipides 9 Kcal. Ils ont un rôle de précurseurs : stéroïdes (hormones), vitamines, prostaglandines. Deux acides gras polyinsaturés sont des facteurs nutritionnels essentiels car ils ne sont pas synthétisés par l'organisme et doivent lui être apportés par l'alimentation. Ce sont des acides gras indispensables : acide linoléique et acide linolénique. Les membranes ont une structure lipidique. Les plaques d'athérome constituées de dépôt lipidique entraînent le durcissement des artères (athérosclérose). • Les acides gras Ils sont monoacides, linéaires, à nombre pair de carbone, soit saturés, soit insaturés. Les acides gras saturés [CH3 -(CH2)n - COOH] 4C Acide butyrique 16C Acide palmitique 18C Acide stéarique 24C Acide lignocérique Le premier carbone est le carboxyle. Exemple : Acide palmitique CH3 - (CH2)14 - COOH

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Les polycopiés de la première année des études de santé Les acides gras mono-insaturés Dans les acides gras insaturés, la position de la première double liaison peut s'exprimer : soit en partant du carboxyle (1er carbone) ; le symbole est

soit en partant du méthyl (dernier carbone) ; le symbole est oméga . En médecine clinique et en biologie, la désignation des acides gras insaturés la plus courante est celle qui fait appel au symbole oméga ( ). L'acide oléique C18 : 1

9

L'acide oléique possède 18C, une double liaison en oméga 9 (

9)

ce qui s'écrit C18 :1

9.

C'est un acide gras très abondant dans les graisses végétales et animales. La présence d'une double liaison dans un acide gras entraîne une isomérie cis-trans. Les acides gras naturels sont cis :

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Les acides gras polyinsaturés Famille linoléique ( 6) Acide linoléique C18 : 2 6 L'acide linoléique est un acide gras indispensable (besoins quotidiens : 3-4 g). C'est un acide gras en C18 avec 2 doubles liaisons ( 6, 9)

Il conduit par voie enzymatique à l'acide arachidonique dans l'organisme. Acide arachidonique C20 : 4 6 Il possède 4 doubles liaisons en 6, 9, 12, 15 L'acide linoléique donne naissance dans l'organisme à l'acide arachidonique à 20 C et 4 doubles liaisons. En l'absence d'acide linoléique dans l'alimentation, l'acide arachidonique devient indispensable.

Famille linolénique (

3)

Acide linolénique C18 : 3 3 Il possède 3 doubles liaisons en

3, 6, 9

Propriétés des acides gras Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Propriétés physiques : Solubilité L'acide butyrique à 4C est soluble dans l'eau, puis la solubilité des acides gras baisse progressivement et ils sont insolubles à partir de 10C. Ils sont solubles dans les solvants organiques apolaires : benzène, chloroforme, … Le point de fusion augmente avec le nombre de C. Diminue quand le nombre de doubles liaisons augmente. Ils sont liquides à 20° C si n <10 C solides si n = 10 C Propriétés chimiques : Oxydation des doubles liaisons L'oxydation par l'oxygène de l'air conduit au rancissement des graisses L'oxydation enzymatique intracellulaire de l'acide arachidonique par la cyclooxygénase (cyclisation + oxydation) conduit aux prostaglandines qui sont des médiateurs très actifs, très rapidement dégradés.

Action biologique des prostaglandines. Elles interviennent : dans la contraction des muscles lisses (intestin, utérus, vaisseaux) ; dans la régulation des métabolismes ; dans l'agrégation plaquettaire. L'inhibition de la cyclooxygénase des plaquettes par l'aspirine est utile en thérapeutique (antiagrégant plaquettaire). Formation de sels de sodium ou potassium Ce sont des savons à propriétés moussantes, mouillantes et émulsionnantes. Dans l'eau les savons se dissocient en Na+ + R-COOL'anion a 2 pôles : Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Ces molécules appelées amphiphiles ou amphipathiques, sont tensioactives : elles abaissent la tension superficielle de l'eau d'où leurs propriétés. Formation d'ester (avec Glycérol et Cholestérol) et de thioester (avec le Coenzyme A) (voir le métabolisme). Classification des lipides On distingue : Les lipides simples : Glycérides et Stérides Les lipides complexes : Glycérophospholipides et Sphingolipides • Les lipides simples : glycérides et stérides Ce sont des lipides simples, composés ternaires constitués de C, H, O Ce sont des esters d'acides gras + Alcool 3 types d'alcool sont estérifiés par des acides gras : Glycérol

Glycérides

Cholestérol

Stérides

Alcool à PM élevé

Cérides (non étudiés ici).

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Glycérides Ce sont des esters d'Acides Gras et de Glycérol

Si les 3 AG sont identiques, le triglycéride est homogène ; s'ils sont différents, il est hétérogène. Ce sont les lipides naturels les plus nombreux, présents dans le tissu adipeux (graisses de réserve) et dans de nombreuses huiles végétales. Ils représentent une réserve énergétique importante chez l'homme. Ils sont solubles dans l'acétone ce qui les différencie des phospholipides (ils sont très apolaires). Hydrolyse des triglycérides La lipase, enzyme du suc pancréatique, hydrolyse les triglycérides alimentaires en monoglycéride + 2 acides gras :

Dans le tissu adipeux, l'hydrolyse est complète car elle fait intervenir la lipase hormonosensible, puis une monoglycéride lipase pour donner : Glycérol + 3 AG

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• Glycerophospholipides L'acide phosphatidique C'est l'élément de base des glycérophospholipides. Acide phosphatidique = Glycérol + 2 Acides Gras + H3PO4

Les deux acides gras ont une chaîne longue ( 14C), l'acide gras en position 2 est souvent insaturé. L'acidité de la molécule provient des 2 H mobiles libres de l'acide phosphorique. Au pH sanguin (7,35 - 7,45) les 2 fonctions acides sont ionisées. L'acide phosphatidique est un second messager intracellulaire. Les glycérophospholipides Ils sont constitués d'acide phosphatidique + alcool Nature de l'alcool

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Les différentes classes de glycérophospholipides Le lipide se forme par fixation d'un alcool sur l'acide phosphatidique. Selon l'alcool, on obtient des classes différentes de lipides. Phosphatidylsérines

= Acides Phosphatidiques + Sérine

Phosphatidyléthanolamines

= Acides Phosphatidiques + Ethanolamine

Phosphatidylcholines

= Acides Phosphatidiques + Choline

Phosphatidylinositols

= Acides Phosphatidiques + Inositol

Les Phosphatidyléthanolamines et Phosphatidylsérines

Au pH du sang (7,35 - 7,45) les molécules sont ionisées.

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Les Phosphatidylcholines ou LécithinesLes Phosphatidylcholines ou Lécithines

On les trouve dans le cerveau, le foie, le jaune d'oeuf. Les Phosphatidylinositols Structure de l'inositol L'inositol est un hexaalcool cyclique qui a 9 isomères possibles. Le myoinositol est le plus fréquent dans les lipides.

C'est un mésoinositol inactif sur la lumière polarisée. L'inositol 1, 4, 5 triphosphate ou IP3 est un second messager Structure du phosphatidylinositol

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Propriétés des Glycérophospholipides Ce sont des molécules amphipathiques (ou amphiphiles) car elles présentent 2 pôles : l'un hydrophobe dû aux AG ; l'autre hydrophile dû à l'ester phosphorique. Elles ont donc des propriétés identiques à celles des savons (émulsionnants, …). Ce sont des molécules amphotères car elles possèdent à la fois : une fonction acide apportée par H3PO4 une fonction basique apportée par l'AA alcool (sérine, thréonine) ou par la choline. Hydrolyse des phospholipides par les phospholipases Il existe 4 phospholipases spécifiques A1, A2, C et D :

Si hydrolyse par la phospholipase A1 : AG saturé + Lyso1 phospholipide Si hydrolyse par la phospholipase A2 : AG insaturé + Lyso 2 phospholipide Si hydrolyse du phosphatidylinositol 4, 5 diphosphate par une phospholipase C : Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Si hydrolyse par la phospholipase D : Acide phosphatidique + alcool (choline par exemple). Rôle des phospholipases L'hydrolyse des phospholipides alimentaires lors de la digestion est réalisée par la phospholipase A2 pancréatique. L'hydrolyse des phospholipides membranaires permet la synthèse de médiateurs lipidiques : une phospholipase A2 conduit aux prostaglandines, leucotriènes, lysophospholipides une phospholipase C conduit aux DAG (Diacylglycérol), IP3 (inositol 1, 4, 5 triphosphate) une phospholipase D conduit à l'Acide phosphatidique.

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• Sphingolipides Ce sont des amides de la sphingosine qui se forment par liaison du carboxyle de l'AG sur le -NH2 de la sphingosine :

Acylsphingosine ou Céramide Le plus simple des sphingolipides est le céramide ou acylsphingosine.

L'acide gras est saturé et à longue chaîne. Le Céramide est un second messager intracellulaire. Les Sphingomyélines Elles sont constituées de l'association Sphingosine + AG + Phosphorylcholine

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L'acide gras le plus fréquent est l'acide lignocérique (C24:O). Au pH du sang, la molécule est ionisée. On les trouve dans le tissu nerveux (graines de myéline) et dans les membranes. La déficience en sphingomyélinase entraîne leur accumulation dans le cerveau, la rate et le foie. Les Glycolipides Cérébrogalactosides ou Galactosylcéramides Ils sont constitués de : Sphingosine + AG + ßD Galactose

Le galactose est uni à l'alcool primaire de la sphingosine par une liaison ß osidique Les Cérébroglucides ou Glucosylcéramides Ils sont constitués de : Sphingosine + AG + ßD Glucose Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La liaison est ß osidique. Les Gangliosides ou Oligosylcéramides Ils sont constitués de : Sphingosine + AG + chaîne de plusieurs oses et dérivés d'oses (NANA) (= oligoside) Ils sont abondants dans les ganglions d'où leur nom. Ces oligosides sont présents sur la face externe de la membrane plasmique. Ils sont spécifiques, donc reconnus par des protéines (toxines bactériennes, lectines). Exemple : antigènes des groupes sanguins.

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Stérols et Stéroïdes • Les stérides Ce sont des esters du cholestérol. Le cholestérol est une structure composée de 3 cycles hexagonaux + un cycle pentagonal correspondant au cyclopentanoperhydrophénanthène. Il possède une fonction alcool secondaire en C3 et une double liaison en 5.

Le stéride est formé par estérification d'un AG sur la fonction alcool en 3 du cholestérol. Le cholestérol est apporté dans l'alimentation et synthétisé par le foie ; il est transporté dans le sang dans les lipoprotéines. C'est un constituant des membranes (rôle dans la fluidité). Le cholestérol sert dans l'organisme à la synthèse de 3 groupes de molécules : Les hormones stéroïdes (cortisol, testostérone…) La vitamine D3 Les acides biliaires

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La vitamine D3 ou Cholécalciférol

Formule de la Vitamine D3 Elle est synthétisée à partir d'un précurseur le 7-déhydrocholestérol, présent dans la peau, qui se transforme en vitamine D3 (qui est une prohormone), sous l'effet des UV. Elle est métabolisée dans le foie où une 25-hydroxylase la transforme en 25-OH-vitamine D3 puis cette dernière est hydroxylée dans le rein par une 1-hydroxylase pour donner la 1,25dihydroxyvitamine D3 ou calcitriol qui est une hormone. Le calcitriol est responsable de toutes les propriétés de la vitamine D3. La vitamine D3 est une vitamine liposoluble qui prévient le rachitisme en favorisant la fixation du calcium sur l'os.

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Lipoprotéines et rôle biologique Forme sous laquelle les graisses (lipides) circulent dans le sang. Habituellement les graisses sont constituées de cholestérol et des triglycérides. Ces graisses sont fixées par des molécules protéiques que l'on appelle des apoprotéines constituant des complexes (association protéine plus cholestérol ou triglycéride) : les apolipoprotéines ou lipoprotéines. En 1972 Alaupovic distinguait 8 variétés d'apolipoprotéines : • Al • A II • B • Cl • C II • C III • D • E Il semble exister une corrélation entre l'augmentation de l'apolipoprotéine E4 et le développement des cardiopathies ischémiques ainsi que celui de la maladie d'Alzheimer. Les cardiopathies ischémiques correspondent à une atteinte du cœur secondaire à une diminution de l'oxygénation des tissus à ce niveau suite à un apport sanguin insuffisant.

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• Les chylomicrons Ce sont des lipoprotéines qui se forment en période de digestion. Elles sont responsables du transport des lipides de l'intestin grêle vers le foie où ils sont retraités. Lors de l'absorption, les divers lipides provenant de l'alimentation, et transportés par les micelles, pénètrent à l'intérieur des entérocytes de l'épithélium intestinal par le plateau strié, par diffusion simple. Une fois à l'intérieur, acides gras et glycérol se regroupent pour former des triglycérides qui se retrouvent enveloppés par des protéines de la membrane du réticulum endoplasmique. Cet ensemble lipides-protéines forme les chylomicrons. Les chylomicrons peuvent alors quitter les cellules de la paroi intestinale, mais de par leur taille, ils ne peuvent pas rejoindre les capillaires sanguins. Ils passent alors par la voie lymphatique. Ces chylomicrons natifs sortent par la lymphe intestinale et rejoignent la circulation sanguine par la veine cave via le canal thoracique et sont maturés par un échange d'apoprotéines avec les HDL, ils acquièrent de l'apoE et de l'apoC en cédant leur apoAI. Leur dégradation dans le tissu adipeux par la LPL les transforme en restants de chylomicrons par déplétion du volume central qui seront ensuite captés par le foie, puis dégradés. Densité (par rapport à l'eau) : inférieure à 0,94. Diamètre : entre 20 et 1000 nm. Composition : 98 % de lipides (dont 88 % Triglycerides, 8 % de Phospholipides et 1 % de cholestérol estérifié), 2 % de protéines. • Les lipoprotéines de haute densité (High Density lipoprotein, HDL) Ce sont des lipoprotéines responsables du transport du cholestérol vers le foie où il pourra être éliminé. Cette fonction permet d'éviter l'accumulation de cholestérol dans les vaisseaux sanguins et donc d'éviter les risques d'athérosclérose. C'est pour cela que les HDL sont qualifiées de bon cholestérol par rapport aux LDL qui sont appelées mauvais cholestérol. Densité (par rapport à l'eau) : comprise entre 1,063 et 1,210. Diamètre : entre 6 et 10 nm. Composition : 48 % de lipides, 52 % de protéines.

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• Lipoprotéine de basse densité Les lipoprotéines de basse densité (ou LDL pour Low density lipoprotein en anglais) sont un groupe de lipoprotéines de types et de tailles variables (18 à 25 nm de diamètre), qui transportent le cholestérol, libre ou estérifié, dans le sang et à travers le corps pour les apporter aux cellules. Les LDL sont produites par le foie à partir des lipoprotéines de très basse densité (ou VLDL, very low density lipoprotein). Elles portent des apolipoprotéines B-100 et des vitamines antioxydantes (vitamine E et caroténoïdes). Un défaut de captation des LDL par les cellules des tissus demandeurs augmente le taux de cholestérol dans les vaisseaux sanguins : elles s'y déposent ce qui entraîne l'athérosclérose. Pour cette raison, le LDL est souvent qualifié de mauvais cholestérol, par opposition au HDL qui lui est appelé bon cholestérol. Densité (par rapport à l'eau) : entre 1,006 et 1,063. Diamètre : entre 15 nm et 25 nm. Composition : 78 % de lipides, 22 % de protéines. Lipoprotéine de très basse densité • Les VLDL (Very Low Density Lipoprotein, lipoprotéine de très basse densité) Ce sont des lipoprotéines responsables du transfert des lipides endogènes de leur lieu de synthèse, le foie vers les tissus. Densité (par rapport à l'eau) : comprise entre 0,94 et 1,006. Diamètre : entre 30 et 70 nm. Composition : 90 % de lipides, 10 % de protéines.

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6. Organisation, évolution et fonction du génome humain : 1. Structure et métabolisme des nucléotides structure de acides nucléiques • Les bases azotées Il faut connaître la numérotation et savoir les reconnaître Bases Puriques (Adénine et Guanine)

NH2

O

6 1

N

N

7

2

H2N

9

3

6 1

N 7

5

8

NH

4

N

HN

8

2

N

4

9

3

Adénine

NH

Guanine

Le Ribose ou Désoxyribose se li toujours en n°9 pour les bases puriques. Bases Pyrimidiques (Thymine, Cytosine et Uracile)

O HN3

N3

5

1

NH

O

4

CH3

4

2

O

NH2

6

O

2

Thymine

5 1

NH

6

Cytosine

3

HN 2

O

4 1

NH

5 6

Uracile

Le Ribose ou Désoxyribose se li toujours en n°1 pour les bases pyrimidiques. • Les nucléotides Nucléoside : Base azotée + ribose ou désoxyribose (pentoses de forme anomère β la n° des C est 1’ 2’ 3’ 4’ 5’) Nucléotide : Base azotée (fixée en β en 1’) + ribose + Phosphate (P) (fixé en en 5’) Exemple de Nucléotide pour l’ADN :

P

5' CH2

Base azotée

O

4'

H

1' 3' 2'

OH

H

Les bases azotées s’apparient deux à deux en formant des liaisons hydrogènes. AT : 2 liaisons hydrogène CG : 3 liaisons hydrogène

H

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Les polycopiés de la première année des études de santé Exemple de Nucléotide pour l’ADN :

P

5' CH2

Base azotée

O

4'

1' 3'

H

H

2'

OH

OH

• Polymérisation La polymérisation entre deux nucléotides s’opère au niveau des sucres. La liaison est une liaison phosphodiester elle se fait entre le C’3 du premier nucléotide et le C’5 du second nucléotide. 5'

P

P

3'

P

5'

5'

P

3'

3'

3'

5'

A

T

T

G

C

A

C

G

5' 3'

3' 5'

P

3'

5'

P

P

3'

5'

P

Le premier brin d’ADN est orienté dans le sens 5’  3’ Le second brin est orienté dans le sens 3’  5’ Les deux brins d'ADN sont antiparallèles ; c'est-à-dire que leurs squelettes désoxyribose-phosphate ont des directions opposées (voir figure notamment les flèches indiquant les directions des groupements phosphates). Les enzymes responsables de la polymérisation sont : ARN polymérase (transcription ADN en ARN ; ADN  ARN) et l’ADN polymérase (réplication de l’ADN ; ADN ADN). Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Structure

ADN : Watson et crick (1953) Double hélice avec une alternance de grand sillon et petit sillon La Complémentarité des bases s’explique par le nombre de cylces des bases azotées. (Pyrimidique un cycle) + (Purique 2 cycles) L’intérieur de la double hélice est hydrophobe L’extérieur est hydrophile (sucre- phosphate).

ARN : L’ARN et monocaténaire il est souvent plus court que l’ADN, certains appariements existent dans l’ARN notamment pour les ARNt on les appelle les épingles à cheveux. Il en existe différents types : ARNr dit ribosomal : il sert à la synthèse des ribosomes en association avec les protéines ribosomales. Le ribosome est composé de deux sous-unités : 60S et 40S chez les eucaryotes l’indice de l’ensemble étant 80S. Chez les procaryotes les deux sous unités sont 50S et 30S ce qui fait 70S pour l’ensemble des deux sous unités. ARNm dit messager : permet la synthèse des protéines. ARNt dit de transfert : permet le transfert des Acides aminés nécessaires à la synthèse des protéines.

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2. Chromatine et ADN • Introduction Dans les cellules eucaryotes, le matériel génétique est organisé en une structure complexe constituée d'ADN et de protéines et il est localisé dans un compartiment spécialisé, le noyau. Cette structure a été baptisée chromatine (du grec khroma: couleur et sôma: corps). Environ deux mètres d'ADN dans chaque cellule doivent être contenus dans un noyau de quelques mm de diamètre. En plus de cet énorme degré de compaction, l'ADN doit être rapidement accessible afin de permettre son interaction avec les machineries protéiques régulant les fonctions de la chromatine: • • •

la réplication la réparation et la recombinaison.

Ainsi l'organisation dynamique de la structure chromatinienne influence, potentiellement, toutes les fonctions du génome. L'unité fondamentale de la chromatine est appelée le nucléosome qui est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui-même, adopter des niveaux d'organisation plus compacts (Figs 1 et 3), le niveau de condensation le plus élevé étant atteint au sein du chromosome métaphasique. Au sein du noyau interphasique, la chromatine est organisée en territoires fonctionnels. La chromatine a été divisée en: euchromatine et hétérochromatine. L'hétérochromatine a été définie comme une structure qui ne change pas d'état de condensation au cours du cycle cellulaire tandis que l'euchromatine apparaît décondensée pendant l'interphase. L'hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du nucléole tandis que l'euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme. On distingue: •

l'hétérochromatine constitutive qui contient peu de gènes, formée principalement de séquences répétées et dont les plus grandes régions sont situées à proximité des centromères et des télomères, de l'hétérochromatine facultative qui contient des régions codantes pouvant adopter les caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine, comme le chromosome X inactif chez la femelle des mammifères.

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Dans cette revue, nous rappelerons les composants de la chromatine et nous présenterons les différents niveaux d'organisation de la chromatine, en partant du niveau du nucléosome jusqu'à celui de l'organisation en domaines dans le noyau. Nous discuterons ensuite comment les variations dans la composition fondamentale de la chromatine peuvent influencer son activité et comment les facteurs capables de faciliter la formation de ces structures jouent un rôle critique pour transmettre des caractères de diversité dans la structure chromatinienne dynamique. Finalement, nous exposerons comment la chromatine influence l'organisation du génome à l'échelle du noyau. •

Le nucléosome

La digestion partielle de l'ADN organisé en chromatine génère des fragments de 180 à 200 pb, caractérisés par des images en "échelle" après migration électrophorétique. La régularité de cette structure a été ensuite confirmée par analyse en microscopie électronique révélant une chromatine constituée de particules régulièrement espacées, dont l'aspect rappelle celui d'un "collier de perles". La stoechiométrie ADN-histones est de 1/1 en masse. Le nucléosome est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé de: • •

une particule cœur et une région de liaison (ou région internucléosomale) qui relie les particules coeurs adjacentes (Fig 1).

La particule cœur, dont la structure est très conservée parmi les espèces, est composée de 146 pb d'ADN enroulées selon environ 1,7 tour autour d'un octamère protéique comprenant deux exemplaires de chacune des histones H3, H4, H2A et H2B. La longueur de la région d'ADN internucléosomale varie selon l'espèce et le type cellulaire. C'est au niveau de cette région que les histones internucléosomales également variables, sont incorporées. Ainsi, la longueur d'ADN caractéristique d'un nucléosome peut varier selon les espèces entre 160 et 241 pb. Des analyses ont révélé d'une part, l'enroulement de l'ADN autour de l'octamère d'histones et d'autre part, les interactions entre histones/ADN et histones/histones par leur "motif histone fold" selon une configuration en poignée de mains.

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Figure 1. Eléments de définition du nucléosome et du chromatosome. • Les histones Les histones de la particule coeur Les histones de la particule coeur, H3, H4, H2A et H2B sont de petites protéines basiques très conservées au cours de l'évolution (Fig 2). La région la plus conservée de ces histones est leur domaine central structuré composé du "motif histone fold" qui comprend trois hélices séparées par deux boucles. En revanche, les extrémités N-terminales de ces histones sont plus variables et sont dépourvues de structure secondaire. Ces extrémités sont particulièrement riches en résidus lysine et arginine et donc très basiques. Elles sont la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles pouvant affecter leurs charges mais aussi l'accessibilité à l'ADN et les interactions protéines/protéines avec le nucléosome. Il est important de noter que d'autres protéines impliquées dans les interactions avec l'ADN présentent ce type de "motif histone fold".

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Figure 2. Les histones de la particule cœur.  Structure des histones nucléosomales.  Séquences primaires des extrémités N -terminales des histones nucléosomales. Les nombres indiquent la position des acides aminés. Les modifications post-traductionnelles sont indiqués (ac en rouge = sites d'acétylation ; p en bleu = sites de phosphorylation ; m en vert = sites de méthylation ; rib en violet = sites d'ADP ribosylation)

Les histones internucléosomales Les histones internucléosomales sont les protéines qui s'associent à la région d'ADN de liaison entre deux nucléosomes. Contrairement aux histones de la particule cœur, elles sont peu conservées parmi les espèces. Chez les eucaryotes supérieurs, elles sont composées de trois domaines: un domaine globulaire central non polaire, essentiel pour les interactions avec l'ADN, et deux extrémités N- et Cterminales non structurées, hautement basiques, et soumises à des modifications posttraductionnelles. Les histones internucléosomales joueraient un rôle dans l'espacement des unités nucléosomales et dans la compaction de l'ADN au sein du nucléosome en créant une région d'interaction entre les nucléosomes adjacents.

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Les différentes étapes dans l'assemblage de la chromatine

L'assemblage de l'ADN en chromatine comprend plusieurs étapes qui commencent par la formation de son unité fondamentale, le nucléosome, et finissent par des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau. Les différentes étapes de cet assemblage sont décrites schématiquement dans la Fig 3. La première étape comprend la mise en place, sur l'ADN, d'un tétramère d'histones (H3-H4)2 nouvellement synthétisées formant la particule sub-nucléosomale, à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B. L'ensemble constitue la particule nucléosomale coeur composée de 146 paires de base d'ADN enroulées autour du octamère d'histones. Cette particule cœur et l'ADN de liaison forme le nucléosome. Les histones nouvellement synthétisées sont spécifiquement modifiées (ex: acétylation de l'histone H4).  L'étape suivante est une étape de maturation nécessitant la présence d'ATP, au cours de laquelle les nucléosomes sont régulièrement espacés et forment le nucléofilament. Pendant cette étape, les histones nouvellement incorporées sont désacétylées.  Ensuite l'incorporation des histones internucléosomales est accompagné par le repliement du nucléofilament en fibre de 30 nm dont la structure n'est pas élucidée à ce jour. Deux modèles principaux existent : le modèle de type solénoïde et le modèle de type zig zag.  Finalement, plusieurs repliements successifs conduisent à des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau. A chacune des étapes décrites ci-dessus, des variations dans la composition et l'activité de la chromatine peuvent être obtenues en modifiant soit ses composants élémentaires, soit l'activité de facteurs impliqués dans les processus d'assemblage et de désassemblage.

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Figure 3. Les principales étapes de l'assemblage de la chromatine. L'assemblage commence avec la mise en place d'un tétramère (H3-H4)2 d'histones nouvellement synthétisées (1), à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B (2) pour former la particule nucléosomale cœur. Les histones nouvellement synthétisées sont spécifiquement modifiées; la Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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modification la plus conservée est l'acétylation de l'histone H4 sur les lysines 5 et 12 (H3-H4*). L'étape de maturation nécessite la présence d'ATP afin d'établir un espacement régulier des nucléosomes et les histones nouvellement incorporées sont désacétylées (3). L'incorporation des histones internucléosomales est accompagné par le repliement du nucléofilament. Ici est présenté le modèle de type solénoïde dans lequel il y a 6 nucléosomes par tour (4). Finalement, plusieurs repliements successifs conduisent à des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau (5). •

Les variations dans les composants élémentaires

Dès les premières étapes de l'assemblage de la chromatine, la particule élémentaire peut être soumise à des variations  au niveau de l'ADN (par exemple, par méthylation), ou  au niveau des histones qui peuvent soit présenter différentes modifications post-traductionnelles, soit exister sous des formes variantes (par exemple CENP-A, variant de l'histone H3). Toutes ces variations sont capables d'induire des différences dans la structure et dans l'activité de la chromatine. La grande diversité des modifications post-traductionnelles des extrémitées Nterminales des histones, présentée dans la Fig 2, (comme l'acétylation, la phosphorylation, la méthylation, l'ubiquitination, la polyADP-ribosylation), et leur association à des processus biologiques spécifiques, ont conduit à proposer l'hypothèse d'un "langage" baptisé le "code histone" (il est important de noter que ce code est une hypothèse de travail). Ce code serait "lu" par d'autres protéines ou complexes protéiques, capables de reconnaître et d'interpréter des profils de modification spécifiques. L'incorporation de formes variantes des histones peut être importante pour des domaines spécifiques du génome: ainsi CENP-A, variant de l'histone H3, est associé aux régions centromériques et macro H2A au chromosome X inactif chez la femelle de mammifères. H2A-X interviendrait dans la formation de foyers contenant des facteurs de réparation dans des régions où des cassures d'ADN double brin ont eu lieu. H2A-Z pourrait jouer un rôle en modifiant la structure de la chromatine afin de réguler la transcription . Pendant l'étape de maturation, l'incorporation d'histones internucléosomales, de protéines chromatiennes non-histones appelées HMG (High Mobility Group) ou d'autres facteurs se liant spécifiquement à l'ADN peuvent affecter l'espacement et le repliement du nucléofilament. Ainsi les premières étapes de l'assemblage peuvent avoir une grande incidence sur la nature finale de la chromatine dans des domaines spécifiques du noyau. • Les facteurs d'assemblage en chromatine Les facteurs interagissant avec les histones Des facteurs de nature acide peuvent former des complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs sont considérés comme des chaperons d'histones qui facilitent la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule. Ces facteurs, Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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aussi appelés facteurs d'assemblage de la chromatine, se lient préférentiellement à une sous population d'histones. Par exemple, le facteur CAF-1 (Chromatin Assembly Factor 1) interagit avec les histones H3 et H4 acétylées nouvellement synthétisées et participe à l'assemblage de la chromatine couplé à la réplication de l'ADN. CAF-1 est aussi capable de promouvoir l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplé à la réparation de l'ADN. L'interaction entre CAF-1 et la protéine PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) établit un lien moléculaire étroit entre l'assemblage en chromatine et les processus de réplication et de réparation de l'ADN. L'assemblage de structures spécialisées comme les régions centromériques, en déposant des variants d'histones comme CENP-A, ou télomériques, pourraient faire intervenir la spécificité et la diversité des chaperons d'histones. Les facteurs de remodelage et les enzymes modifiant les histones Des facteurs interviennent aussi pendant l'étape de maturation de la chromatine en organisant et en maintenant un état défini de cette chromatine. Ils peuvent affecter la chromatine en induisant des changements conformationnels au niveau du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de chromatine. Ces facteurs sont de deux types: les premiers nécessitent de l'énergie sous forme d'ATP et sont généralement appelés facteurs de remodelage de la chromatine, et les seconds sont des enzymes qui modifient post-traductionnellement les histones.  Facteurs de remodelage: ce sont des complexes multiprotéiques (familles SWI/ SNF, ISWI, Mi2/NuRD) L'activité ATPase permet au complexe de modifier la structure nucléosomale, en partie grâce à l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP. L'étude des facteurs qui favorisent un espacement régulier des nucléosomes pendant l'assemblage de la chromatine a permis d'identifier plusieurs complexes multiprotéiques capables in vitro de faire "glisser" des nucléosomes sur de l'ADN. Bien que ces facteurs de remodelage ont en commun la présence de nombreuses sous-unités protéiques dont l'ATPase, ils présentent toutefois des différences dans leur quantité et dans leur activité.  Modifications post-traductionnelle: l'hypothèse du "code histone" a été proposé pour expliquer la diversité des activités de la chromatine dans le noyau. Les extrémitées N-terminales non structurées des histones pointent à l'extérieur de la particule nucléosomale cœur et sont la cible d'enzymes qui les modifient post-traductionnellement. La modification la mieux étudiée jusqu'à maintenant est l'acétylation des résidus lysine. L'état d'acétylation résulte d'un équilibre entre deux activités antagonistes : l'activité histone-acétyltransférase (HAT) et l'activité histone-désacétylase (HDAC) (ex:HAT A, présentant une activité histone-acétyltransférase, et HDAC1, histone-désacétylase). De nombreuses protéines jouant un rôle dans la régulation de la transcription ont une activité histoneacétyltransférase intrinsèque. De même, des histone-désacétylases ont été décrites comme faisant partie de complexes multiprotéiques associés avec la nature répressive de la chromatine. Parmi ces complexes, se retrouvent les facteurs de remodelage de la famille Mi2, suggérant un lien entre le remodelage des nucléosomes et le désacétylation des histones pendant la fonction répressive de la chromatine.

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La méthylation des histones, joue un rôle fonctionnel important. Une méthyltransférase méthyle spécifiquement H3 sur son résidu lysine 9 et cette méthylation modifie l'interaction de H3 avec des protéines associées à l'hétérochromatine. Les deux modifications possibles (acétylation et méthylation) sur le même résidu (lysine 9) de l'extrémité N-terminale de H3 illustre parfaitement l'hypothèse du "code histone" en action. En effet, les lysines acétylées des extrémitées N-terminales de H3 et H4 sont reconnues par un domaine spécifique, appelé le chromodomaine, présent dans de nombreuses protéines présentant une activité histone-acétyltransférase. En revanche, H3 méthylé sur son résidu lysine 9 est reconnu par le chromodomaine d'une protéine spécifique de l'hétérochomatine (HP1, Heterochromatin Protein 1). Ainsi, en plus des altérations produites dans la charge totale des extrémités des histones proposées être à l'origine de la déstabilisation physique du nucléosome, ces modifications semblent donner une spécificité aux interactions protéines:protéines avec les histones. Elles sont associées à différentes régions du génome et ont été corrélées avec des fonctions nucléaires précises. •

Organisation du génome dans le noyau

Au delà des nucléosomes, la chromatine présente des niveaux d'organisation supérieurs encore peu caractérisés. Le nucléofilament se compacte pour former la fibre de 30 nm qui s'organise en boucles de 150 à 200 kpb (250 nm pendant l'interphase) pour atteindre un niveau de compaction maximum dans le chromosome métaphasique (850 nm). En interphase, l'organisation du génome est relié à la structure des chromosomes dont les différentes régions organisées en bandes peuvent être visualisées par l'utilisation de colorant comme le Giemsa. Les principales bandes sont • •

les bandes G et C qui sont répliquées tardivement en phase S et correspondent à l'hétérochromatine, et les bandes R qui sont répliquées précocement en phase S et correspondent à l'euchromatine.

Les bandes R sont enrichies en histones acétylées qui sont conservées entre l'interphase et la mitose suggérant un rôle de marqueur fonctionnel de cette modification pouvant servir de mémoire de l'organisation de ces domaines au cours du cycle cellulaire. La localisation des chromosomes dans le noyau interphasique révèle que chaque chromosome occupe un espace défini. Chez les mammifères, l'organisation des chromosomes dans le noyau varie en fonction du type cellulaire. Pendant l'interphase, les bandes des chromosomes métaphasiques sont localisées dans le noyau en fonction de leur réplication: • les bandes G répliquées tardivement occupent la périphérie du noyau tandis que Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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les bandes R contenant la majorité des gènes résident dans la partie interne du nucléoplasme.

Ainsi, bien que chaque chromosome occupe un territoire différent, des parties appartenant à des chromosomes distincts peuvent se réunir pour former des domaines fonctionnels. La localisation de régions codantes ou non codantes suggère que les gènes tendent à être localisés à la surface des territoires chromatiniens. D'après un modèle reposant sur la localisation de quelques gènes, les transcrits seraient alors libérés dans des canaux interchromosomiques, transférés au niveau des sites d'épissage, puis exportés dans le cytoplasme après maturation. Toutes ces études ont permis de proposer que le noyau est organisé en domaines. La localisation de l'ADN dans ces domaines peut être, en partie, une conséquence des activités de la chromatine. Le ciblage de protéines pourrait aider à apporter des protéines spécifiques dans des domaines particuliers du noyau. Dans un modèle hypothétique, les protéines associées à l'hétérochromatine (par exemple HP1, Polycomb, Sir3/pSir4p, ATRX), les facteurs de transcription (comme Ikaros) et les facteurs d'assemblage de la chromatine (comme CAF-1) sont des candidats pour l'établissement et le maintien des domaines nucléaires.

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Table Nomenclature des protéines chromatiennes HMG. Liste des abréviations ACF: ATP-utilizing Chromatin assembly and remodeling Factor ATP: adenosine triphosphate C-terminal: carboxy-terminal CAF-1: Chromatin Assembly Factor-1 CENP-A: CENtromere Protein-A CHRAC: CHromatin Accessibility Complex DNA: DeoxyriboNucleic Acid FISH: Fluorescence In Situ Hybridization HAT: Histone Acetyl Transferase HDAC: Histone DeACetylase HMG: High Mobility Group HP1: Heterochromatin Protein 1 N-terminal: amino-terminal NURF: NUcleosome Remodeling Factor PCNA: Proliferating Cell Nuclear Antigen RSC: Remodels the Structure of Chromatin Su(var): Suppressor of variegation SWI/SNF: mating type SWItching/Sucrose Non-Fermenting Liste des définitions Chromatine : constitue le support de l'information génétique. C'est une structure complexe constituée d'ADN et de protéines, localisée dans le noyau cellulaire. Nucléosome : est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Hétérochromatine : représente la forme condensée de la chromatine qui ne change pas d'état au cours du cycle cellulaire. Euchromatine : représente la chromatine qui apparaît décondensée pendant l'interphase. Hétérochromatine constitutive : est formée principalement de séquences répétées et contient peu de gènes. Elle est généralement concentrée dans des régions situées à proximité des centromères et des télomères. Hétérochromatine facultative : contient des régions codantes pouvant adopter les caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine.

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Code histone : est un "langage" hypothétique lié à la grande diversité des modifications posttraductionnelles des extrémitées terminales des histones et leur association à des processus biologiques spécifiques. Ce code serait "lu" par des protéines ou complexes protéiques capables de reconnaître et d'interpréter des profils de modification spécifiques. Protéines HMG (High Mobility Group) : sont des protéines chromatiennes non-histones qui se lient spécifiquement à l'ADN. Ces protéines peuvent affecter l'espacement et le repliement du nucléofilament. Chaperons d'histones : sont des facteurs de nature acide pouvant former des complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs facilitent la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule. Facteurs de remodelage de la chromatine : sont des facteurs nécessitant de l'énergie sous forme d'ATP qui induisent des changements conformationnels au niveau du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de la chromatine. Bandes G, C et R : correspondent à l'organisation en bandes des chromosomes métaphasiques et peuvent être visualisées par l'utilisation de colorant comme le Giemsa.

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3. Réplication de l’ADN et mécanismes de réparation • Réplication du DNA : Meselson et Stahl démontrent la semi-conservativité de la réplication du DNA. Ils font l’expérience avec E. Coli à DNA lourd (radio marqué avec l’isotope 15N).

A la première génération on observe une génération de DNA hybride. La réplication se fait dans le sens 5’  3’ (La DNA polymérase responsable de cette réplication travail uniquement dans le sens 5’  3’). La réplication est bidirectionnelle. Il y a formation de fourche de réplication et de Fragments d’Okazaki. Les hélicases permettent l’ouverture de l’ADN au moment de la réplication. Les fragments d’Okazaki sont ensuite liés entre eux grâce à la DNA ligase.

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Le brin qui peut être synthétisé dans le sens 5’ 3’ sans problème est appelé brin directeur. L’autre brin qui nécessite les fragments d’Okazaki pour être synthétisé dans le sens 5’  3’ et dans le sens de la fourche de réplication est appelé brin retardé. L’enzyme clé de la réplication est la DNA polymérase III : DNA n résidus + dNTP  DNA (n+1) résidus + PPi Cette enzyme utilise des nucléotides triphosphate desoxydés (dATP dGTP dCTP dTTP), une amorce d’ARN, du MG2+. La réplication produit du pyrophosphate qui donne deux molécules de Pi (phosphate inorganique). Elle fonctionne comme une attaque nucléophile par le groupement hydroxyle (OH) en 3’ sur le phosphate α (le plus interne) du carbone en 5’. Cela crée une liaison phospho diester.

Remarques : (i) La PCR (polymérase chaîne réaction) est une technique de génie génétique qui permet d’amplifier en grande quantité un fragment d’ADN. Cette PCR est permise grâce à une enzyme : la TAQ polymérase découverte chez les procaryotes (archéobactéries). (ii) Chez les eucaryotes les réplications doit s’effectuer plus rapidement comme la taille du génome est beaucoup plus grande. Il y a donc différents points de réplication : cela aboutit à la formation des yeux de réplication (l’ADN est ouvert en plusieurs endroits). (iii) Chez les procaryotes la réplication est continues (iiii) Chez les eucaryotes la réplication est cyclique. Une réplication pour chaque cycle de mitose. (iiiii) L’ADN comporte deux brins Le brin non codant ou encore brin matrice brin négatif ou brin long : c’est celui qui est recopié par complémentarité des bases pour former l’ARNm. Le brin codant ou positif ou brin court. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Mécanismes de réparation de l’ADN

Mutations : altérations de l’information génétique La mutation est une modification héritable de la séquence du génome d’un organisme. Ces évènements modifient la séquence d’ADN et ainsi le phénotype de l’individu. Le phénotype correspond à l’ensemble des caractères observables de l’individu. Les mutations peuvent être transmises à la descendance si elles se réalisent dans des génomes de cellules germinales ou précurseurs de cellules germinales. Les mutations de cellules somatiques entraînent des modifications au sein même de l’individu. Ces mutations permettent l’évolution de l’espèce, mais malheureusement elles sont responsables d’un grand nombre de maladies. Le plus souvent ces modifications sont des mutations ponctuelles : substitution, additions et délétion de bases. 1) Additions ou délétions de bases Les additions et les délétions de bases correspondent respectivement, comme leurs noms l’indiquent, à des ajouts ou pertes de bases. Si l’addition ou la délétion de nucléotides n’est pas un multiple de 3, il y aura décalage du cadre de lecture (frame-shift). En effet si l’addition ou la délétion est un multiple de 3 il y aura addition ou délétion d’acides aminés au niveau de la protéine finale. Le décalage du cadre de lecture peut entraîner des séquences d’acides aminés totalement différentes et des apparitions de codons stop. Remarque : Certains phages et virus utilisent un changement de cadre de lecture pour exprimer certaines de leurs protéines par glissement du ribosome. 2) Substitutions de bases Les substitutions de bases peuvent être de deux types : transition ou transversion de base. La transition correspond au remplacement d’une purine par une purine ou d’une pyrimidine par une pyrimidine. Ainsi une paire de bases A-T est remplacée par une paire de bases G-C. La transversion correspond au remplacement d’une purine par une pyrimidine ou d’une pyrimidine par une purine. Les mutations entraînant le changement d’acides aminés sont des mutations faux-sens. Lorsque la mutation n’entraîne pas de modification d’acides aminés, et ceci dû à la redondance du code Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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génétique en position 3, on parle de mutation silencieuse. Lorsque la substitution entraîne l’apparition d’un codon stop (UAA, UGA et UAG), la mutation est une mutation non-sens. Lésions ou dommages de l’ADN Les lésions sont soit endogènes sans agents exogènes, soit provoquées par des agents pathogènes (ou mutagènes) qui peuvent être physiques ou chimiques. Les agents mutagènes sont des agents capables de produire des lésions de l’ADN par effet direct ou indirect. Les agents mutagènes physiques correspondent aux rayonnements X ou γ, aux rayonnements UV et à la chaleur. Les agents mutagènes chimiques sont essentiellement sous la forme de radicaux super-oxydes (O2-) qui peuvent oxyder de manière non catalytique les molécules biologiques et les engager dans des réactions chimiques incontrôlées. 1) Lésions endogènes sans agents exogènes Ces lésions ne sont pas soumises à des agents exogènes et sont ponctuelles. On observe : Des mauvaises incorporations de bases : association de l’adénine avec la cytosine et de la thymine avec la guanine… Des dépurinations et dépyrimidations qui correspondent à des pertes de bases par hydrolyse de la liaison β-N-glycosidique. Ces pertes sont spontanées à pH acide par rupture de la liaison Nglycosidique. Suite à ces pertes d’informations la polymérase ne sait pas quelle base incorporer, il y a ainsi formation d’un site AP. Des désaminations qui correspondent à des pertes de groupement amine sur les bases C, A et G. Les désaminations sont dues à des excès de chaleur. L’adénine est transformée en hypoxanthine, la guanine en xanthine et la 5-méthylcytosine en thymine. Des erreurs de méthylations, en effet les méthylations sont normales, participent à l’expression du gêne et se réalisent souvent au niveau des îlots CpG. Les erreurs de méthylations donnent des alkylations sur le carbone C6 au lieu du carbone C5 entraînant des absences de formation de liaisons H entre bases. 2) Lésions provoquées par des agents pathogènes a) Les lésions dues à des mutagènes physiques : Formation de dimères de Thymine (TpT) qui correspondent à la formation de liaisons covalentes entre deux Thymine. Ces dimères de Thymine créent des distorsions de l’hélice d’ADN et peuvent être fixés par action de l’UV. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Ionisation de bases et coupures simple ou double brin de l’ADN par rupture du D-ribose dus aux rayonnements ionisants : rayons X et rayons γ. Désamination, en effet les excès de chaleur peuvent également avoir une origine exogène. b) Les lésions dues à des mutagènes chimiques : Formation de lésions oxydatives par des ERO (espèces réactives oxygénées) qui peuvent être exogène ou endogène. Elles correspondent à des oxydations de bases provoquées par des agents super-oxyde (°O2-, H2O2 et °OH). Addition de molécules exogènes qui créent également des distorsions de l’ADN. On compte les aflatoxines, les benzantracènes, les agents alkylants, les agents intercalants, le cis-platine … Mécanismes de réparation procaryote (E-Coli) 1) Mécanismes prenant place en dehors de la période de réplication a) Réparation par réversions des lésions : Ce type de réparation utilise très peu de protéines et restore immédiatement les liaisons. Photo-réactivation : les photolyases sont des enzymes activées par l’énergie lumineuse et qui participent à la réparation de l’ADN par coupure des liaisons covalentes au niveau des dimères de thymine. Réversion de coupure simple brin : par une ADN ligase lorsqu’il n’y a pas de pertes de bases. Réversion de dépurination par une purine insertase : restore la liaison osidique, enzyme spécifique d’une base. b) Réparation par excision de base (système BER) : Ce mécanisme est présent chez les procaryotes et les eucaryotes et essentiellement impliqué dans les réparations de mutations endogènes jusqu’à 4 nucléotides. Le système BER permet l’élimination des bases anormales et la réparation du site AP. L’ADN glycosylase coupe la liaison N-glycosidique entre la base anormale et le désoxyribose, entraînant l’apparition d’un site AP. Il y a uniquement extraction de la base sans coupure de liaison phosphodiester. Il existe de nombreuses glycosilases dans la cellule, chacune reconnaît une (plusieurs) base(s) modifiées différentes.

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Une endonucléase 3’-5’ coupe la liaison phosphodiester adjacente au site AP, l’ADN-polymérase I enlève le site AP et synthétise le morceau d’ADN manquant, puis l’ADN-ligase met en place la liaison Phosphodiester manquante. c) Réparation par excision de nucléotides (système NER) : Ce mécanisme est présent chez les procaryotes et les eucaryotes et permet la réparation de plusieurs nucléotides. Il prend également en compte une endonucléase 3’-5’, l’ADN-polymérase I et l’ADNligase. Le système NER correspond au mécanisme de réparation par les UV (UVr). Le complexe UVr A, B, C, D reconnaît les distorsions de l’ADN. 2) Mécanismes de réparation liés à la période de réplication a) Réparation de mésappariements par le système Mut HLS Ce mécanisme est également présent chez les procaryotes et les eucaryotes et est post-réplicatif. Il permet la réparation des erreurs d’appariement entre les chaînes d’ADN après la réplication ainsi que les petites délétions ou additions. Le mécanisme Mut HLS nécessite la reconnaissance du brin néosynthétisé de l’ADN grâce aux méthylations des adénines du brin anciennement synthétisé de l’ADN, ceci permettant la distinction entre les deux brins. Une endonucléase rompt ensuite le brin néosynthétisé et la partie portant la lésion est éliminée. Mut S reconnaît le mésappariement, Mut L se lie et active Mut H et Mut H est une endonucléase qui coupe en aval de l’erreur du mésappariement. Il y a ensuite action d’une exonucléase et d’une Hélicase, puis de l’ADN-polymérase I et finalement de la ligase. b) Réparation par recombinaison La réparation par recombinaison correspond à la synthèse translésionnelle (TLS) qui consiste à poursuivre la réplication de l’ADN au niveau d’une lésion du brin matriciel de l’ADN ne permettant aucun appariement. Elle se réalise en même temps que la réplication. L’ADN-polymérase II a un rôle important dans la reprise de la synthèse d’ADN après la lésion, l’ADNpolymérase III est alors transitoirement expulsée pour que la réplication puisse continuer. L’ADN-polymérase III arrive au niveau d’une erreur et est éjectée par les enzymes de la TLS qui remplacent la base erronée ou alors qui permet la poursuite de la réplication un peu plus loin (ceci suivant l’ADN-polymérase utilisé (II, IV ou V)). Remarque : Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La TLS est généralement mutagène, en effet elle place juste des nucléotides, pas forcément les bons, à l’endroit où se situe la lésion du brin matriciel, et ceci pour permettre la poursuite de la réplication de l’ADN, … Les polymérases impliquées dans la TLS : Pol II, IV et V (pas d’activité exo 3’5’) mais aussi Pol III. 3) Le système SOS chez E-coli Le système SOS regroupe un ensemble de gènes (env. 30) qui est impliqué dans la réplication de l’ADN, dans la réparation de l’ADN et dans la division cellulaire et dont l’expression est contrôlée par une altération de l’ADN. Le système SOS fonctionne comme un système de type opérateur, on se trouve face à deux états, qui utilisent ou non les protéines Rec A qui sont les protéines clé de la recombinaison procaryote : Un état non induit, sans Rec A, durant lequel Lex A se lie aux opérateurs en réprimant la synthèse des protéines impliquées dans la réponse SOS de la cellule, les gènes ne sont donc pas exprimés. Un état induit, avec Rec A qui est toujours présent dans la cellule mais en petites quantités. Lors d’une altération les protéines Rec A activent leurs propres synthèses en clivant les protéines Lex A qui inhibaient jusqu’alors la transcription des gènes du système SOS dont celui de Rec A. Les différents gènes participant au système SOS forment un régulon qui est un groupe de gènes dont l’expression est contrôlée par une même protéine. Mécanismes de réparation eucaryote Les mécanismes de réparation ont été hautement conservés au cours de l’évolution : le mécanisme de réparation eucaryote a des analogies avec E-Coli. Chez l’Homme on identifie des gènes impliqués dans différents types de la réparation : réversion directe du dommage, le système BER, le système NER, la réparation des mésappariements, la réparation par recombinaison. Chez les eucaryotes il n’y a pas d’équivalent du système SOS avec augmentation importantes de l’expression des protéines impliquées dans la réparation ; mais plutôt relocalisation et concentration des protéines de réparation dans des complexes sub-nucléaires. Attention le système d’opéron n’existe pas chez les eucaryotes, le génome étant trop compliqué, et ainsi il n’y a donc pas de système de réparation de type SOS (donc pas de protéine de type Rec A). Les déficiences dans les systèmes de réparation de l’ADN eucaryote entraînent des maladies génétiques héréditaires. Déficit dans le système de réparation par excision :

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Le Xeroderma pigmentosum est une maladie génétique qui entraîne une grande sensibilité aux UV, des photodermatoses avec ulcérisation. La maladie peut être due à des modifications de plusieurs protéines différentes impliquées dans le système NER, qui font parties des protéines à gènes XP (A, B, C, D, E, F, G). Déficit dans le système de réparation post-réplicatif des mésappariements : 90% des cancers colorectaux sans polypes sont dus à des inactivations dans les gènes impliqués dans la correction des mésappariements. Déficit dans le système de recombinaison : Un tiers des 20% de cancer du sein héréditaire est lié à des mutations de gènes suppresseurs de tumeurs. 4. Mutabilité et dynamique de l’ADN définitions Allèle : version particulière d’un locus génétique Mutation : modification héritable de la séquence génomique d’un organisme Mutant : organisme qui a une ou plusieurs mutations dans son génome par rapport au sauvage Génotype : ensemble de l’information génétiques codée par le génome d’un organisme Phénotype : ensemble des caractères observables ou mesurables d’un organisme Taux de mutant : proportion de mutants d’une population Taux de mutation : fréquence des mutations dans un locus donné par génération Mutation ponctuelle : substitution d’une pb par une autre, ou, addition ou délétion d’un faible nombre de pb. Mutation réverse : mutation qui restaure le phénotype sauvage Mutabilité de l’ADN – Type de mutations Les mutations ponctuelles :  Transition et transversion

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5. Diversité du génome (allèle et polymorphisme) • Allèle On appelle allèles les différentes versions d'un même gène. Chaque allèle se différencie par une ou plusieurs différences de la séquence de nucléotides. Ces différences apparaissent par mutation au cours de l'histoire de l'espèce, ou par recombinaison génétique. Tous les allèles d'un gène occupent le même locus (emplacement) sur un même chromosome. Exemple : Dans le cas du gène déterminant le groupe sanguin ABO, situé sur le chromosome 9 humain (en 9q34.1-q34.2), l'un des allèles, A, code la présence de substance A, un autre, B, la présence de substance B, et un troisième allèle O, ne codant pas d'enzyme actif, détermine, chez l'homozygote O/O, le groupe O. Généralités : Le gène est constitué d'une séquence de nucléotides, fragments unitaires de l'ADN. Cette séquence peut être modifiée d'une manière naturelle et aléatoire au niveau d'un ou plusieurs nucléotides, on parle de mutation. Une mutation introduit une variation par rapport à la séquence de départ : la séquence modifiée est un allèle du gène de départ. Dans une cellule diploïde, il y a deux allèles pour chaque gène : un allèle transmis par chaque parent. Les allèles transmis par les parents peuvent être identiques ou non. Chez l'être humain, chaque gène est présent en double exemplaire, l'un provenant du père, l'autre de la mère. Dans une population, on peut avoir plusieurs allèles d'un gène, représentant plusieurs formes alternatives du même gène. Si les allèles apportés par chaque parent sont identiques dans leur séquence nucléotidique, l'individu est homozygote pour ce gène. S’ils sont différents, l'individu est hétérozygote. Dans ce dernier cas, deux possibilités sont envisageables quant au phénotype résultant de l'expression du gène. Si l'un des deux allèles s'exprime et l'autre reste « muet », on dit que le premier est dominant et l'autre récessif. Les allèles dominants sont symbolisés par une lettre majuscule (ou une lettre avec un +), et les récessifs par une lettre minuscule. Dans une population, un gène peut donc exister sous plusieurs variantes, le locus et la fonction restant constants. On dit qu'un gène est polyallélique ou polymorphe s’il est représenté par plus de deux allèles, ceux-ci étant reconnus en tant que tels s'ils se retrouvent à plus de 1% dans une population. Voir fréquence allélique.

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Types d'allèles : Les différents types d'allèles sont les suivants : des allèles codominants (codominance) sont des allèles qui s'expriment en même temps. Chez les individus hétérozygotes, en cas de co-dominance, les deux allèles sont exprimés. En théorie, le phénotype est donc l'expression conjointe des deux allèles. Pour autant, le phénotype peut ne pas refléter la contribution des deux allèles si par ailleurs l'expression d'un autre gène "contredit" l'expression d'un des deux allèles. Pour prendre un exemple simple, la couleur rouan de la robe chez les bovins résulte d'un mélange de poils rouges et de poils blancs dû à l'hétérozygotie des allèles codant chacun une couleur de poils ; un allèle létal est une forme mutante d'un gène, qui entraîne la mort de l'individu à l'état homozygote s'il est récessif ou hétérozygote s'il est dominant. Dans le cas d'un allèle létal dominant, il est éliminé lorsqu'il survient (mort de l'individu avant la naissance) et il ne sera donc pas transmis. un allèle nul est un allèle qui fournit un produit génique non fonctionnel ; un allèle récessif est l'état allélique d'un gène où l'homozygotie est nécessaire pour l'expression du phénotype approprié, au contraire d'un allèle dominant ; les allèles multiples sont observés lorsqu'il y a l'existence, dans une population, de plus de deux allèles sur un même locus. •

Le polymorphisme :

Un polymorphisme génétique (du grec "poly" plusieurs et "morphos" formes) est la coexistence de plusieurs allèles pour un gène ou locus donnés, dans une population. C'est le fait qu'une espèce présente donc des individus différents au sein d'une même population. Le terme a été utilisé pour la première fois pour décrire des formes visibles comme la couleur du pelage mais on l'utilise aujourd'hui pour tous types de phénotypes tels que les groupes sanguins. Le polymorphisme concerne toutes les espèces. Ce sont des variations liées aux mutations génétiques et aux différentes adaptations. Cela correspond par exemple aux mimétismes de formes des papillons et de certaines formes de mites, les motifs sur les coquilles d'escargot, les groupes sanguins humains et de nombreux autres cas.

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Déterminisme : Le polymorphisme correspond aux variations de la séquence nucléotidique de l'ADN d'un gène dans une population. Un gène est considéré comme polymorphe s'il existe au moins deux allèles à une fréquence égale ou supérieure à 1%. Exemple : Considérons deux gènes A et B pour lesquels il existe plusieurs allèles :A1, A2, A3, A4, ..... et B1, B2, B3, B4, ... Les différentes combinaisons de gènes et d'allèles donnent naissance à des génotypes divers tels que A1A1B1B1, A1A2B1B1, A1A3B1B1, A2A4B2B3, AnApBxBy. Pour illustrer prenons deux variétés, l'une A1A3B2B4 et l'autre A2A4B1B3. Lors de la méiose, la première va donner des gamètes A1B2, A1B4, A3B2, A3B4 dont les proportions dépendent de la liaison génétique entre les gènes A et B. L'autre parent va donner des gamètes A2B1, A2B3, A4B1, A4B3. Au moment du croisement (puisque le plus souvent il n'y a pas autofécondation en raison d'autoincompatibilité), les rencontres de gamètes portées respectivement par l'ovule et le pollen se font de manière aléatoire. À partir de deux gènes seulement, on peut générer dans cet exemple 16 combinaisons distinctes. En généralisant le raisonnement à des milliers de gènes, le nombre de combinaisons (théoriques) possibles tend vers l'infini. Ce qui va réduire le nombre théorique c'est le nombre de gènes, le nombre d'allèles possibles de chaque gène, le degré de liaison entre gènes et le fait que le phénotype (l'aspect) ne reflète que les différences que nos yeux ou nos outils sont capables de distinguer. Deux fruits considérés comme rouges pour notre œil ou notre colorimètre peuvent cacher une diversité génétique invisible à moins d'étudier précisément les gènes (nombreux) qui interviennent pour produire le pigment coloré impliqué. En bref, l'autoincompatibilité maintient l'état hétérozygote (donc la diversité allélique interne) et oblige les individus d'une même espèce à s'intercroiser (et non à s'autoféconder), ce qui est favorable à l'expression d'une très grande diversité génétique dans la descendance. Indice de polymorphisme : L'indice de polymorphisme ou indice de diversité de Nei mesure le polymorphisme pour un gène en fonction des fréquences de chaque allèle dans une population. Il se calcule de cette manière: I.P.=(nombre de locus polymorphe)/(nombre de locus etudiés) 22 Si il n'y a qu'un seul allèle, I.P.=0. Plus il y aura d'allèles plus l'indice sera grand. Plus les allèles auront des fréquences proches les unes des autres et plus l'indice sera grand. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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6. Transcription et maturation des ARNm • Généralités Le gène (ou cistron) est un segment d’ADN qui constitue l’unité d’expression menant à la formation d’un produit fonctionnel qui peut être sous la forme d’ARN ou de polypeptide. Chez les procaryotes plusieurs gènes peuvent faire partie d’une même unité de transcription, on parle d’unité polycistronique dont l’exemple le plus classique est l’opéron lactose (cf. chapitre de régulation de l’expression des gènes). Chez les eucaryotes les unités de transcription sont monocistronique (exception chez certains vertébrés). Les gènes eucaryotes sont départagés dans 3 classes : Les gènes de classe 1 ont comme produits des ARNr. Ils sont répétés en tandem et séparés par des espaces inter-géniques. La transcription des ARNr se fait sous forme d’un précurseur l’ARN 45 S (≈ 13 000 pdb) qui sera clivé en 3 ARNr : 5,8 S ; 18 S et 28 S. Les gènes de classe 2 ont comme produits des protéines. Les protéines sont formées par traduction des ARNm qui sont plus instables que les autres ARN. Les gènes de classe 2 sont constitués de différents segments : des exons portant l’information et correspondant aux régions codantes, et des introns qui sont des régions non codantes. Attention, les procaryotes ne possèdent pas d’introns. Les gènes de classe 3 ont comme produits des ARNt, les ARNr 5S et les petits ARN qui sont également répétés en tandem comme les gènes de classe 1.La synthèse d’ARN à lieu essentiellement pendant l’interphase du cycle cellulaire. • Transcription de l’ADN procaryote L’ARN polymérase est une protéine ADN dépendante, multimérique possédant les sous-unités α, β, β’ et σ. Elle est présente sous deux formes l’enzyme-cœur (α2ββ’) et l’holoenzyme (α2ββ’σ). Les ARN polymérases ne nécessitent pas d’amorce et ne possèdent pas d’activité exo-nucléasique et donc de correction d’erreur, le taux d’erreur est ainsi plus important que pour les ADN-polymérases, mais ce taux est supporté. Les nucléotides triphosphates sont additionnés à l’extrémité 3’ de la chaîne en cours de synthèse par complémentarité de la matrice d’ADN. L’hydrolyse de la liaison anhydride fournit l’énergie pour la synthèse de la liaison phosphodiester. La réaction est réalisée en milieu tamponné à pH neutre, contenant du sel de Mg2+, un agent de protection des groupements SH de l’enzyme (agent réducteur comme le β-mercaptoéthanol), les 4 ribonucléotides (rNTP) et de l’ADN bicaténaire contenant un promoteur comme matrice. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La molécule d’ADN est composée d’un brin matriciel (ou brin anti-codant) dirigé par définition de 3’ vers 5’ et servant comme son nom l’indique de matrice à l’ARN-polymérase, ainsi que d’un brin codant dirigé par définition de 5’ vers 3’ et ayant une séquence identique à l’ARN transcrit mise à part le fait que la thymine est changée par l’uridine. L’ARN messager est lui monocaténaire et dirigé tout comme le brin codant de 5’ vers 3’.

Chez E-coli, une seule ARN-polymérase catalyse la synthèse de tous les ARN de la cellule (en mettant à part l’ARN des amorces nécessaire à la réplication de l’ADN). La transcription est divisée en plusieurs étapes : la pré-initiation, l’initiation, l’élongation et la terminaison. 1) Pré-initiation Le promoteur est une séquence d’une centaine de nucléotides située dans la région régulatrice et désignant le début de la transcription. Il est situé en amont du site d’initiation et porte des éléments de séquence reconnus par l’ARN-polymérase et déterminant le sens de la transcription. Le promoteur est constitué de courtes séquences conservées d’une unité de transcription à l’autre et appelées séquences consensus : En -10 du site d’initiation on trouve la TATA box ou boîte de Pribnow : « TATAAT » En -35 du site d’initiation on trouve : « TTGACA »

La force (ou efficacité) intrinsèque d’un promoteur est définie par le nombre relatif d’initiation par unité de temps (vitesse de la transcription). Elle dépend de la proportion des paires de bases A-T par rapport aux paires de bases C-G, de la position des séquences en -35 et en -10, en effet plus les séquences consensus sont proches du site d’initiation plus le promoteur sera fort et finalement de la force d’interaction de l’ARN-polymérase avec le promoteur. Le promoteur agit sur la transcription du segment d’ADN qui lui est adjacent sur le même chromosome, on dit que le promoteur est actif en « cis ». Le promoteur n’est pas actif sur les séquences codantes situées ailleurs sur le chromosome, dans ce cas là on parlerait alors du qualificatif « trans ». Le cis s’oppose au trans. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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L’affinité de l’ARN-polymérase pour l’ADN dépend de la forme de l’enzyme : l’enzyme-cœur a une affinité faible et non spécifique, l’holoenzyme a une affinité très forte et spécifique pour le promoteur. On peut faire la remarque que la sous-unité sigma σ à l’état libre ne se fixe pas sur l’ADN. La sous-unité β’ étant basique et l’ADN étant acide, ce sera elle qui facilitera l’interaction du complexe avec le promoteur. La sous-unité sigma σ permet donc une reconnaissance spécifique du promoteur par l’ARNpolymérase et diminue l’affinité de l’enzyme pour les régions non promotrices. Il agit de manière cyclique, en effet après l’initiation faite, le facteur sigma se détache pour être recyclé et réutilisé pour d’autres initiations de gènes. L’ARN-polymérase entraîne la dénaturation des deux brins d’ADN sur 14 paires de nucléotides, on parle de complexe ouvert qui augmente encore l’affinité de l’enzyme pour la double hélice. 2) Initiation L’initiation correspond à la synthèse de la première liaison phosphodiester réalisé par la sous-unité β qui correspond à la sous-unité catalytique de l’ARN-polymérase. L’interaction de cette sous-unité est inhibée par la rifampicine qui inhibe ainsi de manière irréversible la transcription de l’ADN, c’est le cas de la tuberculose. Une mutation dans la SU β induit l’apparition de souches bactériennes résistantes à la rifampicine. Le déroulement des premières étapes de la transcription est donc : liaison non spécifique de l’holoenzyme. formation d’un complexe fermé au niveau du promoteur formation du complexe ouvert (déroulement sur 14 nucléotides) Mise en place du premier nucléotide (très souvent A ou G) Allongement de 4 à 5 nucléotides Détachement du facteur sigma, après la transcription des 4-5 premiers nucléotides. 3) Elongation L’élongation correspond au déplacement de la bulle de transcription le long de la molécule d’ADN. La région désappariée est alors de 70 paires de bases. Pendant la transcription, l’ARN forme un court appariement avec le brin matriciel de l’ADN formant une hélice hybride ADN-ARN sur une dizaine de paires de bases. L’élongation est inhibée par des aminosides ou amino-glucosides. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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4) Terminaison La terminaison se fait lorsque l’enzyme arrive au niveau d’une séquence spécifique appelée terminateur. Le terminateur se présente sous la forme d’un palindrome (cf. lexique) qui peut être parfait ou imparfait. Ce palindrome entraîne une complémentarité de séquence au niveau de l’ARNm qui permet la mise en place d’une structure en épingle à cheveux (ou tige-boucle) qui est un appariement intra-chaîne qui déstabilise l’ARN-polymérase jusqu’à dissociation. Elle peut être facilitée par un facteur rho ρ suivant la séquence du terminateur, on met ainsi en évidence des terminateurs rho indépendant (environ les 2/3) et des terminateurs rho dépendant (environ 1/3) : Pour les terminateurs rho indépendant on trouve une structure en épingle à cheveux riche en paires de bases G-C, suivie d’une séquence poly-U d’environ 6 nucléotides permettant une dissociation plus facile de l’hybride ADN-ARN. Pour les terminateurs rho dépendant on trouve une structure en épingle à cheveux plus courte et qui n’est pas riche en paires de bases G-C et qui est non-suivie d’une séquence poly-U. Il y a donc nécessité du facteur rho qui a une affinité pour les ARN en court de synthèse, le parcourant de 5’ vers 3’ jusqu’à trouver l’ARN-polymérase. Le facteur rho est ATP dépendante, dont l’hydrolyse permettra la dissociation du complexe. 5) Maturation des transcrits primaires Le transcrit primaire correspond à l’ARN non mature qui nécessite une maturation sous forme de clivages ou de modifications de bases. Cette maturation n’est pas obligatoire. Après maturation on obtient l’ARN mature. On peut prendre quelques exemples comme la maturation du transcrit primaire donnant les ARNr (transcrit primaire 45 S) ou les ARNt par des ribonucléases, ou la maturation du transcrit primaire codant les ARNm. Généralement, il y a peu de modifications pour les ARNm ; beaucoup d’ARNm sont traduits en protéines alors qu’ils sont encore transcrits (Attention : il n’y a pas de noyau chez les procaryotes). Le transcrit primaire code soit pour un produit, on parle d’ARN monocistronique, soit plusieurs produits, on parlera alors d’ARN polycistronique • Transcription de l’ADN eucaryote 1) Les ARN-polymérases eucaryotes Trois ARN-polymérases eucaryote ont été mis en évidence. Elles diffèrent par leur localisation dans le noyau, par la nature des ARN formés et de par leur sensibilité à des inhibiteurs tels que l’αamanitine. ARN-polymérase I dans le nucléole pour les ARNr 5,8 ; 18 et 28 S, et est insensible à l’α-amanitine Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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ARN-polymérase II dans le nucléoplasme pour les ARNm et est sensible à l’α-amanitine ARN-polymérase III dans le nucléoplasme pour les ARNt, ARNr 5 S et pour les petits ARN, elle est également sensible à l’α-amanitine mais à hautes doses. L’α-amanitine se fixe sur certaine sous-unité de l’ARN-polymérase et inhibe l’élongation de la transcription. L’actinomycine D inhibe la transcription eucaryote et procaryote en s’intercalant entre certaine base de l’ADN pendant l’élongation. 2) Différence dans la transcription eucaryote a) Complexe protéique nécessaire à la transcription L’ARN-polymérase II n’étant pas suffisante pour démarrer la transcription, elle nécessite d’autres protéines interagissant avec l’ADN du promoteur, appelées TFII (pour transcription factor II, facteurs de transcriptions interagissant avec l’ARN-polymérase II) : TFII D interagit avec l’ADN du promoteur et plus spécifiquement à la TATA box lorsqu’elle existe. TFII A interagit avec l’ADN en amont de la TATA box. TFII B interagit avec l’ADN en aval de la TATA box au niveau du site d’initiation. TFII F agit lors de l’élongation. TFII H possède une activité hélicase, une activité de réparation de l’ADN dans le système NER et une activité kinase qui sert à phosphoryler l’ARN-polymérase II au niveau de son domaine C-terminal (CTD, pour carboxy-terminal domain) nécessaire à l’activation de la transcription. Une déphosphorylation est nécessaire pour permettre une nouvelle pré-initiation. L’extrémité CTD est formée par un enchaînement de sérine pouvant être phosphorylée. b) Promoteur minimum et régions régulatrices Les séquences consensus sont plus nombreuses que chez les procaryotes, on trouve : La TATA box (= boîte de Hogness) entre -30 et -25, elle est présente dans environ 80% des promoteurs. L’INR box à partir du +1 et présente dans environ 60% des promoteurs. La GC box La CAAT box Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Le promoteur eucaryote est une structure modulaire. La TATA box et à l’INR box forme le promoteur minimum au niveau duquel se fixe l’ARN-polymérase II via les facteurs généraux de transcription. On trouve en plus des séquences activatrices et amplificatrices jusqu’à -200 en amont du site d’initiation ; parmi elles on trouve la GC box et la CAAT box. Les séquences activatrices sont très variables et sont plus ou moins présentent à des nombres également variables suivant le promoteur. Ces boîtes constituent les sites de fixation des facteurs de transcription et permettent ainsi la modulation de l’activité du promoteur minimum. Le terminateur au niveau de l’ARN est constitué de la séquence CPSF (AAUAAA) suivie par un site de poly-adénilation 20 nucléotides en aval, elle-même suivie de la séquence CSTF qui est une séquence riche en G/U qui s’apparie avec la séquence CPSF (formation d’une structure tige-boucle) et après laquelle il y aura clivage. 3) Les régions cis-régulatrices a) Les séquences amplificatrices de type enhancers : Les enhancers fixent des protéines qui vont permettre l’amplification de l’expression des gènes de 10 à 100 fois. Ils peuvent agir en trans sur un promoteur hétérologue et sont actifs dans les deux directions. Ils sont généralement situés en amont du site d’initiation mais peuvent également se situer en aval au milieu de l’unité de transcription. On pourra prendre comme exemple les récepteurs des hormones thyroïdiennes et les récepteurs des hormones stéroïdes (glucocorticoïde, progestérone, œstrogène). Les deux sont des récepteurs nucléaires et il y a ainsi action au niveau du noyau par modulation de l’expression de certains gènes. b) Les séquences extinctrices de type silencers : Les silencers sont des séquences fixant des protéines qui inhibent l’expression des gènes en agissant à distance. c) Les séquences isolantes de type insulators : Les insulators sont des séquences isolantes qui permettent d’isoler certaines régions du génome. 4) Caractéristiques structurales des protéines régulatrices Le motif hélice-boucle-hélice : une hélice de liaison à l’ADN au niveau du grand sillon et une hélice de stabilisation reliée par la boucle. Les motifs en doigt de zinc sont de plusieurs types, dont celui du type 4 cystéines ou du type 2 cystéines + 2 hydrogènes.

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Les leucines zipper correspondent à des hélices amphipathiques présentant des leucines qui interagissent par des liaisons hydrophobes leucine-leucine. 5) Maturation des transcrits primaires La maturation des transcrits primaires à lieu dans le noyau de la cellule. Chez les procaryotes ce phénomène n’existe pas, le début de la traduction de l’ARNm se faisant avant la fin de la transcription, la cellule procaryote ne possédant pas de noyau. Les transcrits primaires ne correspondent qu’aux produits de la transcription de l’ARN-polymérase II, ce qui ne veux pas pour autant dire que les produits de la transcription des autres ARN-polymérases ne sont pas soumis à des modifications post-transcriptionnelles. On parle de pré-ARNm, pré-ARNr et pré-ARNt. a) Addition de la coiffe en 5’ (ou capping) La coiffe correspond à l’ajout d’un groupement, dit « m7G », par une liaison 5’-5’ tri-phosphate. Ce groupement m7G correspond à l’addition de trois groupements phosphates et d’une molécule de GTP au niveau de l’extrémité 5’ du transcrit primaire grâce à l’énergie libérée par l’hydrolyse de la molécule de GTP. Le nucléotide G va ensuite être méthylé sur le septième carbone (C7) pour donner la 7-méthyl-guanosine. La coiffe est ajoutée grâce à un complexe protéique appelé « Cap-Binding-Complex » qui possédant une activité triphosphatase, une activité guanylyl-transférase et une activité méthyl-transférase. b) Poly-adénilation en 3’ par la poly-A polymérase La poly-adénilation correspond à l’ajout de jusqu’à 200 adénines à l’extrémité 3’ du transcrit primaire et ceci sans matrice par la poly-A-polymérase. La poly-A-polymérase reconnaît le signal de polyadénilation qui n’est autre que la séquence CPSF (AAUAAA). 20 nucléotides en aval de cette séquence la poly-A-polymérase utilise sont activité endo-nucléasique et son activité Apolymérasique.

c) Excision des introns et épissage des exons (ou splicing) Après l’addition de la coiffe et la poly-adénilation, le transcrit primaire est encore soumis à l’excision des introns et l’épissage des exons ; les introns sont ainsi éliminés. Ceci est possible par la présence de site donneur d’épissage (dinucléotide GU) à l’extrémité 5’ des introns et de site accepteur d’épissage (dinucléotide CAG) à l’extrémité 3’ des introns.

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Les jonctions d’épissage sont reconnues par les snRNPs (ou snurps pour Small-Nuclear-Ribonucleoprotein-Particules). Les snRNP correspondent à l’association de snRNA (snRNA U1, U2, U3, U4, U5, U6) et de protéines et l’ensemble des snRNPs s’appelle le spliceosome. Le snRNP U1 reconnaît le site donneur et le snRNP U2 reconnaît le site de branchement et le site accepteur. L’excision des introns et l’épissage des exons se fait en plusieurs étapes : Le snRNP U1 permet la reconnaissance du site donneur d’épissage et entraîne la rupture de la liaison phosphodiester entre le premier exon et l’intron. Cette rupture de la liaison phosphodiester entraîne la formation d’un lasso, qui n’est autre que l’extrémité 5’ de l’intron. Ce lasso forme une liaison avec le site de branchement, lui-même situé sur le même intron qui se replit ainsi sur lui-même. Le site de branchement est reconnu par le snRNP U2 et permet la liaison par l’intermédiaire d’une adénosine. Le snRNP U2 permet également la reconnaissance du site accepteur d’épissage. Suite à cette reconnaissance il y a rupture de la liaison phosphodiester au niveau de l’extrémité 3’ de l’intron. Le groupement 3’OH du premier exon peut ainsi réagir avec l’extrémité 5’phosphate du deuxième exon pour former une liaison phosphodiester et permettre la libération de l’intron qui sera dégradé. Remarque : Il existe certains ARN qui possèdent des introns auto-catalytiques qui ne nécessitent ainsi aucune protéine, l’activité enzymatique est portée par l’ARN lui-même, on parle de ribozymes. Vidéo résumant les différents mécanismes entrant en jeu dans l’épissage.

d) L’épissage alternatif A partir d’un transcrit primaire on peut avoir deux ou plus ARNm matures qui seront à l’origine de la formation des protéines-isoformes. Ceci est possible grâce à l’épissage alternatif qui consiste en l’élimination de certains exons. En effet certains exons sont constants au niveau des différents ARNm matures et d’autres sont variables et spécifiques du tissu dans lequel se trouve la protéine isoforme. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Exemple : Au niveau du gène de la tropomyosine on met en évidence 12 exons au total dont 7 sont constants et 5 sont alternatifs. Pathologies liées à un épissage anormal suite à des mutations : On prendra pour exemple les β-thalassémies qui correspondent à des anémies héréditaires transmises sur le mode dominant dues à des anomalies dans la production de l’hémoglobine adulte. Certaines mutations induisent un épissage anormal du transcrit primaire (au niveau des sites donneurs, sites de branchement ou sites accepteurs). 7. Régulation de l’expression des gènes La régulation des gènes se fait aux différentes étapes de l’expression (synthèse du produit d’un gène, ARN ou protéines) et permet son activation ou sa répression. La régulation peut être positive grâce à des activateurs ou négative grâce à des répresseurs. Au niveau de l’ADN il existe des séquences régulatrices qui peuvent être amplificatrices, extinctrices ou isolantes (cf. régions cis-régulatrices dans le chapitre Transcription de l’ADN). Ces séquences régulent les gènes qui leurs sont adjacents sur le même chromosome, on dit que ces séquences sont actives en « cis » et on parle d’élément cis-régulateurs. Sur ces séquences vont se fixer des facteurs de régulations, dit trans-régulateurs, ne provenant pas de séquences adjacentes mais de l’expression d’un autre gène situé ailleurs sur le génome (exemple : cf. opéron lactose dans la suite du cours). • Régulation de l’expression des gènes dans la cellule procaryote 1) Au niveau transcriptionnel La transcription est souvent régulée par des facteurs protéiques qui se lient à l’ADN. Les gènes soumis à ces régulations sont impliqués dans différentes voies métaboliques : a) Régulation de l’expression des gènes impliqués dans les voies cataboliques Parmi ces gènes nous prendrons celui qui est sans aucun doute le plus utilisé pour illustrer ce type de régulation, celui de l’opéron lactose dans le génome d’E-coli qui est un exemple de gène inductible (c’est-à-dire que les gènes sont exprimés quand cela est nécessaire par inactivation d’un répresseur). L’opéron est une unité d’expression et de régulation des gènes bactériens constituée de gènes de structure et d’éléments de contrôle reconnus par le ou les produits des gènes régulateurs ; c’est-àdire le regroupement dans l’espace, sur le même chromosome, de gènes nécessaires à une même fonction métabolique. L’opéron possède un promoteur et un opérateur. Au niveau de l’opéron lactose on peut mettre en évidence trois gènes de structures : les gènes Lac Z, Lac Y et Lac A, codant pour des protéines différentes. Les gènes de ces protéines faisant partie d’une même unité de transcription, on parle alors d’unité polycistronique. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Le gène Lac Z code pour la β-galactosidase qui hydrolyse le lactose en galactose et en glucose, le gène Lac Y code pour la β-galactoside-perméase qui permet l’entrée du lactose dans les bactéries et le gène Lac A code pour la β-galactoside-transacétylase. En absence de lactose on a environ 5 molécules d’enzymes par cellule et avec du lactose on a environ 5000 molécules d’enzymes par cellule, il y a ainsi augmentation du taux des enzymes (βgalactosidase et β-galactoside-perméase) et cette augmentation est coordonnée pour les deux enzymes. L’expression de ces enzymes est régulée par les éléments régulateurs : - Un élément actif en cis, l’opérateur. - Un facteur actif en trans, le répresseur, qui est le résultat du gène Lac I et qui agit au niveau de l’opérateur. Fonctionnement de l’opéron lactose : Comme dit précédemment le produit du gène Lac I est le répresseur. Le répresseur est produit sous la forme d’un tétramère qui est actif et lie l’opérateur avec une grande affinité. En absence de lactose, le gène Lac I est exprimé et entraîne la formation du tétramère qui se fixe sur l’opérateur. Cette fixation entraîne une incapacité de l’ADN-polymérase à transcrire le gène dont le promoteur se situe avant l’opérateur. En présence de lactose, le gène Lac I est également exprimé mais cette fois-ci chaque monomère du tétramère fixe l’allolactose qui est le métabolite du lactose au sein d’E-Coli. Cette fixation entraîne la modification de la structure du répresseur qui ne peut plus se fixer sur l’opérateur permettant la transcription des gènes de l’opéron. De cette manière le lactose est l’inducteur physiologique. L’inducteur synthétique est l’IPTG (isopropylthiogalactoside) qui n’est lui pas métabolisable par la βgalactosidase.

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On peut faire la remarque que de nombreux gènes impliqués dans le transport et le catabolisme des sucres sont regroupés en opérons (exemple des opérons arabinose, maltose et galactose). Observation : Lorsque l’on met E-Coli en présence de glucose et de lactose en quantité défini, le métabolisme peut être départagé en 2 phases correspondant à la croissance d’E-Coli dans le milieu de culture. La première phase correspondant au catabolisme du glucose, avec inhibition de la transcription des gènes de l’opéron ; le glucose pouvant être métabolisé directement par la bactérie, il sera donc utilisé préférentiellement. La deuxième phase correspondant au catabolisme du lactose, avec activation de la transcription des gènes de l’opéron. La latence entre la phase I et II s’explique par le temps pris par la bactérie pour synthétiser les gènes de l’opéron. b) Régulation de l’expression des gènes impliqués dans les voies anaboliques Pour les voies anaboliques on prendra comme exemple l’opéron tryptophane (acide aminé essentiel) qui est un exemple de gène répressible. Dans l’opéron on visualise différents gènes : Trp A, Trp B, Trp C, Trp D et Trp E qui sont des gènes de structure qui permettent de transformer le chorismate en tryptophane) ; ainsi que les éléments de contrôle et le répresseur. En absence de tryptophane, le répresseur ne se lie pas à l’opérateur ce qui entraîne la transcription des gènes de structure de l’opéron. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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En présence de tryptophane, le répresseur se lie au tryptophane et devient ainsi « actif », pouvant se lier à l’opérateur, ce qui entraîne l’inhibition de la transcription des gènes de structure de l’opéron. Le tryptophane est ici un co-répresseur. 2) Au niveau traductionnel La régulation au niveau traductionnel est peu utilisée chez les procaryotes. On pourra donner l’exemple de la régulation de la synthèse de protéines ribosomiques dont les gènes sont organisés en opérons. Un excès de celles-ci entraîne l’inhibition de leur propre traduction. • Régulation de l’expression des gènes dans la cellule eucaryote Dans les organismes multicellulaires l’expression de gènes différents est à l’origine d’une spécialisation cellulaire. Chez l’Homme on compte 250 types cellulaires différents de part leur morphologie, leur biochimie et leur rôle dans l’organisme. L’expression des gènes eucaryotes est régulée au niveau chromatinien, au niveau transcriptionnel, au niveau post-transcriptionnel, au niveau traductionnel et au niveau post-traductionnel. 1) Au niveau chromatinien Si on met de très faibles quantités de DNases pendant des temps courts dans le noyau, il y a coupure de l’ADN en des endroits précis, qui correspondent à des gènes activement transcrits au moment de l’extraction des noyaux. On a pu mettre en évidence de cette manière l’existence de sites sensibles et hypersensibles de l’ADN. La régulation de la structure de la chromatine se fait par méthylation des cytosines ou acétylation des histones ainsi que par les complexes de remodelage de la chromatine (CRC) qui permettent la rupture des liaisons entre histones et ADN. Plus de 70% des séquences CpG sont méthylées dans l’ADN humain. Ces séquences CpG sont sousreprésentées, leur fréquence est 5 fois inférieure aux valeurs prévues et elles sont deux types suivant leurs densités : Au niveau des îlots CpG, de forte densité de séquences CpG, on observe des CpG non méthylés. Par contre au niveau de zones à faible densité de séquences CpG, qui correspondent à 70-80% des CpG, on observe souvent des CG méthylés. 50% des promoteurs ont des îlots CpG et la méthylation d’un promoteur bloque la transcription, ainsi les promoteurs méthylés correspondent à des ADN satellites (hétéro-chromatine non transcrite). On observe 2 types de méthylases : De novo méthylases : fixation de méthyl sur des séquences non méthylées. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Méthylases de « maintenance » : méthylation de sites hémiméthylées. Les méthylases de « maintenance » permettent le maintien de l’état de méthylation au cours de la réplication de l’ADN. La méthylation de novo permet de décider quelles séquences seront méthylées. Ainsi si on observe des méthylations de novo sur une des 2 allèles, cette différence sera maintenue au cours des divisions cellulaires successives. 2) Au niveau transcriptionnel La transcription eucaryote est régulée par les régions cis-régulatrices du type enhancers, silencers et insulators (cf. chapitre de la Transcription de l’ADN), et par les facteurs trans-régulateurs. La régulation peut également se faire par des promoteurs alternatifs : existence de plusieurs promoteurs dans une même région d’ADN pour une même séquence transcrite et donc pour un même gène. 3) Au niveau post-transcriptionnel Epissage alternatif : Confère maturation des transcrits primaires dans le chapitre Transcription de l’ADN. Edition de l’ARN : L’édition de l’ARN correspond tout comme l’épissage alternatif à obtenir deux protéines différentes à partir d’un même gène, mais le mécanisme est différent. Ceci est possible par le fait que un même gêne est traité différemment suivant l’organe où il se trouve.

4) Au niveau traductionnel et post-traductionnel La régulation peut se faire par modulation de la durée de vie des ARNm. En effet généralement les ARNm ont une vie assez courte mais certains ARNm ont une vie plus longue, on prendra comme exemple la chaîne de l’hémoglobine. La régulation peut également se faire par des si-ARN et des micro-ARN qui permettent un blocage de la traduction. Cette inhibition post-transcriptionnelle de l’expression des gènes se fait par interférence grâce à l’utilisation d’ARN anti-sens (si-ARN ou micro-ARN) qui s’apparient avec l’ARN sens par des séquences complémentaires. Cette inhibition peut être réalisée artificiellement par l’utilisation de trans-gènes qui correspondent à des gènes apportés artificiellement.

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8. Code génétique et traduction • Introduction L'information génétique est conservée par la cellule au niveau de son ADN. Cette information est transcrite en ARNm, puis traduite en protéines. Ce sont ces protéines fonctionnelles qui sont l'expression de l'information génétique. Une étape clé dans l'expression de l'information génétique est donc la traduction de l'information sous forme nucléotidique en une forme protéique. Cette traduction est réalisée par triplets de nucléotides : 3 nucléotides codent pour un des 20 acides aminés naturels. Cette correspondance triplet (ou codons) - acide aminé est le code génétique. • Propriétés du code génétique Ce code génétique est : Universel : tous les êtres vivants (sauf quelques exceptions) possèdent le même. Non ambigüe : à un codon correspond un seul et unique acide aminé. Dégénéré : à un acide aminé peuvent correspondrent plusieurs codons (il existe en effet 64 possibilités de codons, et seulement 20 acides aminés). De plus, 3 triplets ne codent pour aucun acide aminé. Ces triplets "non-sens" indiquent, lors de la traduction, la fin de la protéine. Ils sont ainsi nommés "codons STOP". •

La traduction

La traduction correspond au fait que l’ARNm est traduit en protéine : passage de séquences de nucléotides à des séquences d’acides aminés par respect du code génétique. La traduction s’effectue dans le cytoplasme de la cellule. • Les acteurs de la traduction Les acteurs de la traduction sont l’ARN messager (ARNm), les ARN de transfert (ARNt), les ribosomes, les acides aminés, les amino-acyl tRNA synthétases, le Mg2+, le GTP et l’ATP. 1) Les ribosomes Les ribosomes sont constitués d’ARN ribosomiques (ARNr) et de protéines et sont structurés sous forme de deux sous-unités que ce soit chez les procaryotes ou chez les eucaryotes (cf. également chapitre généralités). Leur taille est définie en unité Svedberg. Les ribosomes procaryotes (70S) sont constitués d’une petite sous-unité 30S et d’une grande sousunité 50S. La sous-unité 30S est constituée d’un ARNr 16S (1541 nucléotides) et de 21 protéines. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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La sous-unité 50S est constituée des ARNr 23S (2904 nucléotides) et 5S (120 nucléotides) ainsi que de 32 protéines. Les ribosomes eucaryotes (80S) sont constitués d’une petite sous-unité 40S et d’une grande sousunité 60S. La sous-unité 40S est constituée d’un ARNr 18S et de 33 protéines. La sous-unité 60S est constituée des ARNr 28S, 5,8S et 5S ainsi que de 49 protéines. Topographie schématique du ribosome bactérien : Le ribosome bactérien comporte des sites spécifiques : Site A : (= site Acide-aminé ou Accepteur) fixation des acides aminés. Site P : (= site Peptidique ou Donneur) fixation de f-Met. Site E : (= site Exit) sortie de l’ARN de transfert. Site EF-G : présent au niveau de la grande sous-unité. Site EF-Tu : présent au niveau de la petite sous-unité. Attention chez les eucaryotes le premier acide aminé est la méthionine et non pas la f-Met présent chez les procaryotes. L’enchaînement des ribosomes sur l’ARNm forme le polysome, il permet d’augmenter l’efficacité de la traduction. La distance minimale qui sépare deux ribosomes est de 100 nucléotides. Au niveau des ribosomes associés au réticulum endoplasmique les protéines en voie de synthèse pénètrent dans les vésicules du réticulum directement après le site E (cf. cours de biologie cellulaire). 2) Les ARNt a) Structure des ARNt et ARNt iso-accepteur : Les ARNt ont une structure secondaire en forme de trèfle à 3 feuilles et une structure tertiaire en forme de L à l’envers. Lors du mécanisme de traduction il y a un appariement antiparallèle entre l’ARNm et l’ARNt : reconnaissance codon-anticodon au niveau de la boucle de l’anticodon. Il existe une flexibilité dans l’appariement des bases en position 3 du codon et en position 1 de l’anticodon, cette flexibilité s’appelle le wobble.

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Remarque : I est une base purique qui peut s’apparier avec U, C et A mais pas G. Les ARNt possèdent également un bras de l’acide aminé qui le fixe en 3’ (CCA) sur le ribose, il s’agit d’une liaison covalente : liaison ester riche en énergie. Les acides aminés ne vont ainsi par arriver libre sur le ribosome mais associés à leurs ARNt respectifs. On trouve 40 à 60 ARNt différents par cellule, il existe donc plusieurs ARNt différents pour un acide aminé, on les appelle ARNt isoaccepteurs. (Ecriture : tARN leu 1) b) Chargement de l’acide aminé sur l’ARNt : La formation du complexe amino-acyl-tARN (aa-tARN) nécessite une Amino-acyl-tRNA-synthétase spécifique de l’acide aminé, qui doit ainsi reconnaître toutes les formes de codon de cet acide aminé. Le chargement correct de l’ARNt est un élément important dans la fidélité de la traduction. L’acide aminé (aa) est tout d’abord activé et cette activation nécessite de l’énergie sous forme d’ATP pour permettre la formation d’aa-AMP (liaison anhydride mixte).

La liaison formée entre l’ARNt et l’acide aminé est une liaison covalente de type carboxy-ester. Les Amino-acyl-tRNA-synthétase sont au nombre de 20 dans la cellule, autant qu’il y a d’acides aminés qui rentrent en compte dans la traduction. L’acide aminé complexé peut ainsi s’associer à la chaîne. • Les différentes étapes de la traduction procaryote 1) Initiation Un ribosome reconnaît le début de la séquence codante, il utilise des signaux d’adressage en amont entre -8 et-13 du codon initiateur (AUG) qui correspond à la séquence de Shine-Dalgarno ou RBS (AGGAGG). Il y a appariement antiparallèle de bases entre l’ARNm et la petite sous-unité (30S) du ribosome, dû à une complémentarité de séquences entre l’ARNm et l’ARNr 16S. Les bactéries nécessitent un acide aminé particulier pour l’initiation ; cet acide aminé est la méthionine et elle nécessite une formylation sur l’extrémité NH2 (ajout d’un formyl) pour former la fMet, c’est un phénomène pré-traductionnel. Cette formylation est réalisée par un cofacteur, la vitamine B9 (ou tétrahydrofolate) qui reconnaît l’ARNt caractéristique et responsable du transport de la f-Met. La particularité de conformation de cet ARNt lui permet d’être placé directement dans le site P et non pas dans le site A. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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L’initiation est permise grâce à la présence de facteurs d’initiation (IF pour Initiation Factor) : IF 1 est le facteur de dissociation du ribosome 70S. IF 2 est un facteur assurant la fidélité de reconnaissance entre l’ARNt et l’acide aminé. Il possède également une activité GTPasique (c’est-à-dire d’hydrolyse du GTP). IF 3 est un facteur nécessaire à la fixation spécifique de 30S sur l’ARNm et de contrôle de l’équilibre entre la forme associé et dissocié du ribosome (facteur anti-réassociation). Par la suite le complexe 70S est reformé : lorsque l’ARNt fixé à la formyl-méthionine est fixé à la petite sous-unité de l’ARNr, il y a hydrolyse du GTP et la grande SU se fixe sur le complexe. 2) Elongation L’élongation correspond à une synthèse protéique par ajout d’acides aminés à l’extrémité CTerminale de la chaîne peptidique naissante, réaction catalysée par l’activité peptidyl-transférase de la grande SU des ribosomes. La lecture de l’ARNm par le ribosome se fait de 5’ vers 3’. Il y a formation d’une liaison amide particulière appelée liaison peptidique, les deux fonctions formant la liaison étant portées par le carbone-α de deux acides aminés différents. Cette réaction entraîne l’élimination d’une molécule d’eau. L’élongation également est permise par la présence de facteurs d’élongation (EF pour Elongation Factor) : EF-Tu ; EF-Ts et EF-G. Pour chaque liaison peptidique formée on peut caractériser 3 étapes : la réaction de couplage, la formation de la liaison peptidique et la translocation. a) Réaction de couplage : L’étape de couplage correspond au transfert de l’acide aminé complexé à l’ARNt sur la chaîne protéique en voie d’élongation. On peut faire la remarque que durant la traduction c’est l’extrémité N-terminal (fonction amine) qui sort en premier du ribosome. Ainsi c’est l’extrémité C-terminale (fonction carboxyle) du premier acide-aminé qui permettra la formation de la liaison peptidique avec la fonction amine du deuxième acide-aminé. Ainsi le deuxième complexe aa-ARNt arrive dans le site A, la f-Met étant positionnée dans le site P. b) Formation de la liaison peptidique et libération du premier ARNt : La liaison riche en énergie qui lie le premier ARNt avec la f-Met se rompt amenant l’énergie pour permettre la formation de la liaison peptidique, ceci étant uniquement possible à ce moment là car la fonction COOH était jusqu’alors engagée dans la liaison à l’ARNt. L’ARNt est alors expulsé vers le

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cytoplasme où il sera recyclé, en même temps que la formation de la liaison peptidique, réaction catalysée par l’activité peptidyl-transférase de la grande sous-unité. c) Translocation : Comme dit précédemment la lecture de l’ARNm se fait de 5’ vers 3’, de ce fait le ribosome se déplace de 3 nucléotides (ou d’un codon) dans cette direction de telle sorte que l’ARNt portant les deux premiers nucléotides se retrouve dans le site P, il y a translocation. L’ARNt portant le troisième peut ensuite prendre place dans le site A à nouveau libre. Ce cycle de trois étapes va donc se reproduite autant de fois qu’il est nécessaire jusqu’au codon stop. BILAN ENERGETIQUE AU COURS DE L’ELONGATION : L’énergie nécessaire à l’élongation est fournie sous la forme d’ATP et de GTP. L’ATP apporte deux liaisons riches en énergie, et est consommé lors de l’activation de l’acide aminé, c’est-à-dire lors de la formation d’aa-AMP qui sera ensuite complexé par l’amino-acyl-tRNAsynthétase à l’ARNt correspondant. Il y aura ainsi une liaison riche en énergie entre l’acide aminé et son ARNt. Mais comme énoncé précédemment l’énergie utilisée pour la formation de la liaison peptidique est l’énergie récupérée par la rupture de la liaison riche en énergie du complexe aa-ARNt précédent et non pas de la liaison du complexe s’ajoutant à la chaîne peptidique en cours d’élongation.

Les facteurs d’élongation font partie de la famille des protéines G. Les protéines G sont des protéines ayant la propriété de n’être actives que lorsqu’elles sont liées au GTP. Le GTP est par la suite hydrolysé en GDP et Pi, par l’activité GTPasique de ces protéines G. Le premier GTP est utilisé lors du positionnement du complexe aa-ARNt dans la loge A du ribosome. En effet l’acide aminé-ARNt forme un complexe avec EF-Tu, qui lui permet de se fixer sur le ribosome (site A). Après fixation du complexe, le GTP est hydrolysé en GDP et le facteur EF-Tu-GDP se détache. Le deuxième GTP est utilisé lors de la translocation, également par un facteur d’élongation ayant une activité GTPasique sur le même principe que précédemment. 3) Terminaison La terminaison de la traduction se fait au niveau des codons stop UAA, UAG et UGA qui ne codent pour aucun acide aminé. Ces codons stop sont reconnus par les facteurs de terminaison RF 1, RF 2 et RF 3 (RF pour Releasing Factor) : Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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RF 1 reconnaît UAA et UAG. RF 2 reconnaît UAA et UGA. RF 3 stimule l’activité des 2 autres facteurs. La liaison ester unissant l’ARNt au dernier acide aminé de la chaîne peptidique est hydrolysée par la peptidyl-transférase. Le ribosome se redissocie en deux sous-unités qui pourront recommencer de nouvelles lectures d’ARNm. La terminaison fait intervenir, tout comme l’initiation, l’hydrolyse d’une molécule de GTP. Remarque : La traduction bactérienne peut être inhibée par des antibiotiques tels que les aminosides qui inhibent la petite sous-unité ou les macrolides qui agissent au niveau de la grande sous-unité. Vidéo résumant les différents mécanismes entrant en jeu dans la traduction. • Les spécificités de la traduction eucaryote Le ribosome est de taille différente et composé d’ARN ribosomiques différents bien que la structure générale et l’activité soit comparable (cf. début du cours). Le codon initiateur est également AUG et c’est généralement le 1er AUG présent sur l’ARNm. On peut trouver le triplet ATG qui donnera le codon AUG sur l’ADN-sens au niveau de la séquence de Kozak (GCCGCC(A/G)CCATGG). Comme dit précédemment, chez les eucaryotes le premier acide aminé est la méthionine et non pas la f-Met présent chez les procaryotes. La méthionine sera le plus souvent enlevée juste après la synthèse de la chaîne peptidique. Les facteurs d’initiation sont du type eIF (pour eukaryotic Initiation Factor), d’eIF1 à eIF6. Les facteurs d’élongation sont également du type EF (EF1α, EF1β et EF2). Les facteurs de terminaison sont du type eRF (pour eukaryotic Releasing Factor).

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7. Bioénergétique : 1. Énergétique cellulaire et notions de bioénergétique L'énergie est classiquement définie comme la capacité de réaliser du travail. Tout mouvement nécessite de l'énergie. L'énergie peut se trouver sous différentes formes (chimique, électrique, lumineuse, électromagnétique, thermique, mécanique). Toutes les formes d'énergie sont interchangeables. Pendant un exercice l'organisme convertit l'énergie chimique des aliments en énergie mécanique. L'organisme convertit aussi l'énergie chimique en énergie électrique. Par exemple le mécanisme nerveux entraînant la contraction d'un muscle est un phénomène électrique. L'énergie n'est ni perdue ni créée, elle est seulement transformée d'une forme en une autre pour finalement être libérée sous forme de chaleur. Généralement chez l'homme, 60% à 70% de l'énergie totale du corps est transformée en chaleur. Origine de toute énergie cellulaire : l'énergie lumineuse du soleil. Les plantes captent et transforment la lumière en énergie chimique qu'elles stockent (photosynthèse). L'homme récupère cette énergie en mangeant des plantes ou des animaux qui consomment des plantes ou d'autres animaux (notion de chaînes alimentaires). L'énergie est stockée dans les aliments et dans notre corps sous forme de glucides, lipides et protéines. Ces composants de base peuvent être dégradés dans nos cellules en libérant l'énergie qu'ils contiennent. L'énergie libérée chimiquement à l'intérieur de nos cellules et stockée sous la forme d'un composé hautement énergétique : l'adénosine triphosphate ou ATP. L'énergie cellulaire est utilisée dans de nombreux processus tels : la croissance et le développement des tissus et des organes, les réparations des dommages liés à l'exercice ou aux accidents, le transport actif de nombreuses substances comme le glucose ou le calcium, le raccourcissement des myofibrilles lors de la contraction musculaire. La quantité d'énergie libérée par une réaction biologique est calculée à partir de la quantité de chaleur produite. Dans les systèmes biologiques, on mesure cette énergie en kilocalories (kcal). 1 kcal = quantité d'énergie nécessaire pour élever de 1°C 1 kg d'eau à 15°C. Exemples : Combustion d'une allumette : 0,5 kcal Combustion de 1 g de sucres : 4 kcal Combustion de 1 g de lipides (AGL) : 9 kcal Le corps stocke beaucoup plus de graisses que de sucres. En effet les stocks hépatiques et musculaires de glycogène ne peuvent guère fournir plus de 1200 à 2000 kcal d'énergie alors que les graisses stockées dans les fibres musculaires et dans les cellules adipeuses constituent une réserve de 70000 à 75000 kcal. Cependant les graisses sont moins accessibles pour le métabolisme cellulaire Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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parce qu'elles doivent d'abord être transformées de leur forme complexe de triglycérides en composants de base, glycérol et acides gras libres (AGL). Seuls les AGL permettent de former de l'ATP. La disponibilité des sucres retentit sur l'ensemble du métabolisme énergétique pendant l'exercice. En effet les sucres constituent notamment le seul carburant utilisable pour les cellules nerveuses impliquées dans l'activité électrique et la transmission neuromotrice ainsi que pour les fibres musculaires rapides impliquées dans les efforts intenses. Par ailleurs même à l'effort modéré, la combustion des graisses ne peut demeurer performante qu'avec une dégradation parallèle des sucres pour la production d'énergie (" les lipides brûlent à la flamme des glucides "). 2. Rôle des nucléotides riches en énergie Un composé riche en énergie est un métabolite capable de subir une réaction dans un environnement physiologique (cellule, réaction enzymatique...) avec une large diminution d'énergie libre : G < 0. Les composés riches en énergie sont des substrats de réactions couplées au cours desquelles l'énergie libre reçue par l'enzyme au cours de la rupture d'une liaison spécifique de ce substrat (la liaison riche en énergie), est utilisée pour permettre une synthèse sur un autre substrat. • Les coenzymes transporteurs d’énergie : Adénosine TriPhosphate

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Le coenzyme ATP/ADP est un coenzyme transporteur d'énergie universel. Sa présence dans le métabolisme de tous les êtres vivants souligne l'intérêt de cette molécule comme carrefour métabolique de tous les échanges d'énergie. L'adénosine triphosphate est un nucléotide composé. Sa structure comporte une base azotée, l'adénine, liée par une liaison N-osidique au ß-D-ribose : l'ensemble de ces deux corps constitue l'adénosine qui est un nucléoside. L'acide adénylique ou 5'AMP est l'ester dérivé de l'adénosine par phosphorylation du carbone 5' du ribose. Une deuxième molécule d'acide phosphorique liée à la précédente par une liaison anhydride forme l'adénosine diphosphate ou ADP. Une troisième molécule d'acide phosphorique liée à la précédente par une autre liaison anhydride forme l'adénosine triphosphate ou ATP. La masse moléculaire de l'ATP est de 507 daltons. Les fonctions acides des acides phosphoriques distaux sont fortement ionisées au pH physiologique. Les liaisons anhydrides unissant les acides phosphoriques sont des liaisons riches en énergie. Les enzymes utilisant l'ATP ou l'ADP comme coenzyme, nécessitent en même temps la présence du cation Magnésium comme cofacteur. .ATP

ADP

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L'hydrolyse de la liaison riche en énergie entre le deuxième et le troisième phosphate de l'ATP libère 31 kJ/mol, dans les conditions standard. Les produits de cette hydrolyse sont l'ADP et un ion phosphate. Cet échange est réversible mais seulement par des réactions couplées avec des oxydations cellulaires capables de libérer une très grande quantité d'énergie. L'équilibre thermodynamique de la réaction dépend des conditions physiques (37°C - 101,3 kPa) mais aussi et surtout du rapport des concentrations [ADP]+[Pi]/[ATP] : plus ce rapport est faible plus la différence énergétique est grande. Pour un rapport [ATP]/[ADP] = 100, la différence d'énergie libre est de 60 kJ/mol environ. ATP

AMP

L'hydrolyse de la liaison riche en énergie entre le premier et le deuxième phosphate de l'ATP libère 31 kJ/mol, dans les conditions standard. Les produits de cette hydrolyse sont l'AMP et un ion pyrophosphate. L'équilibre thermodynamique de la réaction dépend des conditions physiques (37°C - 101,3 kPa) mais aussi et surtout du rapport des concentrations [AMP]+[PPi]/[ATP] : plus ce rapport est faible plus la Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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différence énergétique est grande. Pour un rapport [ATP]/[AMP] = 10000, la différence d'énergie libre est de 110 kJ/mol environ ! L'hydrolyse de l'ATP en AMP libère donc plus d'énergie que celle de l'ATP en ADP ce qui permet de coupler des réactions très endergoniques comme les biosynthèses des acyl-CoA. Pyrophosphatase

Cette hydrolyse de l'ATP en AMP et en pyrophosphate est rendue irréversible par la présence dans les mêmes cellules d'une enzyme très active, la pyrophosphatase, qui hydrolyse immédiatement et irréversiblement tout le pyrophosphate produit. L'énergie de cette deuxième hydrolyse est libérée en chaleur.

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3. Vue d’ensemble du métabolisme Le métabolisme correspond à l'ensemble de toutes les transformations chimiques, décomposables en réactions simples, qui se produisent dans une cellule ou un organisme. Il se divise en deux phases • Le catabolisme : Ensemble de réactions enzymatiques de dégradation de macromolécules en molécules de faible taille. Ces réactions s'effectuent avec une libération d'énergie libre dont une partie est stockée sous forme d'ATP et de transporteurs d'électrons réduits (NAD(P)H et FADH2). Les voies cataboliques aboutissent, après oxydation complète, à des produits terminaux communs (CO2et H2O) et conduisent à la synthèse d'ATP.

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• L'anabolisme : C’est l’ensemble de réactions enzymatiques de biosynthèse de macromolécules ou de leurs précurseurs. Ces réactions nécessitent un apport d'énergie libre fournie généralement par l'hydrolyse de l'ATP et/ou par le pouvoir réducteur du NAD(P)H et du FADH2. 4. Les oxydations phosphorylantes et le cycle de Krebs • Intro Le cycle de Krebs ou cycle de l'acide citrique (citrate) est une série de réactions biochimiques dont la finalité est de produire des intermédiaires énergétiques qui serviront à la production d'ATP dans la chaîne respiratoire. Il est le point final et commun du catabolisme des glucides. Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice de la mitochondrie chez les eucaryotes ou dans le cytoplasme des bactéries, en conditions aérobies (présence d'oxygène). Les enzymes catalysant cette suite de réactions sont localisées dans la matrice mitochondriale (cytoplasme chez les bactéries) ou au niveau de la membrane interne mitochondriale (membrane interne chez les bactéries). Avec la chaîne respiratoire qui réoxyde les coenzymes NADH et CoQH2 produits par le cycle, le cycle de Krebs est le processus ultime de dégradation des différents métabolites qui seront dégradés en dioxyde de carbone et en eau. • Les étapes du cycle Krebs Au préalable le pyruvate est transformé en Acétyl CoA par la pyruvate déshydrogénase selon la réaction ci-dessous. Cette enzyme pyruvate déshydrogénase est au carrefour entre la glycolyse et le + NADH ; H+ cycle de Krebs. NAD Pyruvate + CoA

AcétylCoA CO2

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L’utilisation de complexes enzymatiques permet : la protection du substrat, de minimiser les effets collatéraux, d’accélérer les réactions, de mettre en place une régulation coordonnée.

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• Bilan du cycle Krebs On constate que le cycle de Kreps produit une molécule d’ATP par cycle soit moins que la glycolyse (4 ATP pour une molécule de glucose dont 2 seront utilisés lors de la phase d’ activation de la glycolyse [étape 1 et 3 qui correspondent à des étapes de phosphorylation]). L'essentiel de l'énergie chimique potentielle produite est sous forme de pouvoir réducteur (NADH,H+ et FADH2). Ce pouvoir réducteur est ultérieurement utilisé dans la chaîne respiratoire mitochondriale pour produire des autres ATP. Chaque molécule produira GTP (en fait la succinate thiokinase produit 1 GTP, sur le schéma il est déjà mentionné 1 ATP) NADH ; H+ réoxydée en NAD+ au sein de la CRM produit FADH2 réoxydée au sein de la CRM produit

1 ATP 3 ATP 2 ATP

Le cycle de Kreps produit donc : (en prenant en compte l’étape préliminaire de la pyruvate déshydrogénase) : 4 NADH ; H+ qui donneront avec la CRM (en tenant compte de l’étape préliminaire) 12 ATP 2 1 FADH qui donnera 2 ATP 1 GTP qui donnera 1 ATP Ce qui au total pour une molécule de pyruvate donne 15 ATP Mais comme pour une molécule de glucose on produit deux molécules de Pyruvate au final le cycle de Krebs produit 15 x 2 = 30 ATP par molécule de glucose. 30 ATP / Glucose On peut également tenir compte des molécules d’ATP produites par la glycolyse : La glycolyse produit directement Et indirectement avec les 2 NADH ; H+

2 ATP 6 ATP

Soit au final pour une molécule de Glucose produit par sa dégradation tous calculs faits Glycolyse + Krebs + CRM

38 ATP • Régulation du cycle Krebs Elle est complexe Les étapes irréversibles du cycle de Krebs peuvent être régulées : étape de la citrate synthase, de l'isocitrate déshydrogénase et de α-cétoglutarate déshydrogénase. • La citrate synthase est activée par l'ADP mais inhibée par le NADH, l'ATP et le citrate. Elle est donc respectivement inhibée par le pouvoir réducteur, la charge énergétique et le produit de la réaction qu'elle catalyse. • L'isocitrate déshydrogénase est activée par le calcium, l'ADP et inhibée par le NADH et l'ATP. • L'α-cétoglutarate déshydrogénase est activée par le calcium et inhibée par le NADH, l'ATP et son produit le succinyl-CoA. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Il y a donc une régulation selon la disponibilité du substrat, le pouvoir réducteur, la concentration en produit et la charge énergétique. On peut noter qu'il n'y a pas de régulation par covalence (phosphorylation des protéines). L’essentiel étant de connaître impérativement la régulation hormonale : l’insuline active, le glucagon inhibe, et de savoir que l’ATP inhibe (il signe que la cellule a déjà assez d’énergie utilisable). • Liens avec les autres voies de bio$ Le cycle de Krebs fournit aussi des intermédiaires pour les autres voies : ($ de Glucose à partir d’OA, $ d’AG à partir de l’AcétylCoA, $ de chlorophylle, d’AA. L’OA peut également être fourni par la PCK de la néoglucogénèse qui transforme le pyruvate en OA. •

Les oxydations phosphorilantes

Les composés réduits, NADH et FADH2, formés au cours de la glycolyse, de l’oxydation des acides gras et du cycle de Krebs sont très “riches en énergie”. Ils vont être réoxydés par perte d’hydrogène qui va lui-même se dissocier en proton et électron. Ces électrons à haut potentiel d’énergie seront transférés à la chaîne respiratoire, et finalement à une molécule d’oxygène qui en réagissant avec les protons donne de l’eau.  Chaîne respiratoire C’est un ensemble de 5 complexes enzymatiques situés dans la membrane interne et chacun de ces complexes est constitué de plusieurs sous-unités protéiques (le nombre varie selon le complexe). - complexe I : NADH-ubiquinone oxydoréductase (25 sous-unités), - complexe II : succinate-ubiquinone oxydoréductase (4 sous-unités), - complexe III : ubiquitinol cytochrome c oxydoréductase (9-10 sous-unités) - complexe IV : cytochrome c oxidase (13 sous-unités). Il contient le site de liaison de l’oxygène. Cet ensemble de complexes est aussi désigné sous le nom de chaîne de transfert d’électrons. Les électrons sont transférés séquentiellement à chacun des complexes qui passent par un état réduit lorsqu’ils acceptent un électron puis un état oxydé lorsque les électrons sont transférés au complexe suivant. Cette chaîne de transport contient également :

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- le coenzyme Q (CoQ) qui est une quinone (molécule lipophile) qui diffuse dans la membrane interne. Il établit une navette des électrons du complexe I au complexe III. - le cytochrome c est situé dans l’espace intermembranaire. Il établit une navette des électrons du complexe III au complexe IV. Flux d’électrons dans la chaîne respiratoire et translocation des protons dans l’espace intermembranaire La réoxydation des composés réduits a lieu au niveau des complexes I, pour le NADH et II pour le FADH 2. C’est au niveau de ces complexes que le flux d’électrons est initié. La direction du flux le long de la chaîne respiratoire est déterminée par la faculté des composants des différents complexes à « perdre » ou à « gagner » des électrons. Cette faculté s’exprime par un paramètre nommé potentiel d’oxydoréduction. Les électrons vont donc se déplacer des molécules à faible potentiel d’oxydoréduction vers les molécules ayant un potentiel plus élevé. Dans la chaîne respiratoire, les potentiels d’oxydoréductions des composants ont été mesurés, ce qui permet de comprendre que les électrons vont se déplacer du NADH (potentiel d’oxydoréduction :320mV) vers l’oxygène (potentiel d’oxydoréduction : +816mV). Ces données permettent d’établir qu’à partir du complexe I et II, les électrons sont transférés au coenzyme Q qui sera réduit. En s’oxydant, il les transmet au complexe III. Enfin le complexe III transfère ses électrons au complexe IV par l’intermédiaire du cytochrome c et l’accepteur final est l’oxygène qui sera réduit en eau. Au cours de la capture des électrons par les complexes I, III et IV il y a simultanément translocation des protons vers l’espace intermembranaire.

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Le mouvement des protons a pour conséquence de créer un gradient électrochimique qui a deux composantes : - un potentiel transmembranaire qui est le résultat de l’accumulation des protons dans l’espace intermembranaire. Il est compris entre -150 et -180mV (la face externe de la membrane interne est chargée positivement par rapport à la matrice). C’est le potentiel membranaire le plus élevé dans la cellule (le potentiel de la membrane plasmique est de -60mV). - un gradient chimique : l’accumulation de protons abaisse le pH dans l’espace intermembranaire.  Phosphorylation oxydative Le gradient électrochimique généré par les composants de la chaîne respiratoire a tendance à les rediriger vers la matrice. La membrane étant imperméable aux protons ils seront dirigés vers une protéine, l’ATP synthase qui forme un canal dans la membrane interne. Elle utilise l’énergie du gradient en catalysant la rentrée des protons de l’espace intermembranaire vers la matrice et c’est au cours de ce retour de protons que l’ATP synthase transforme l’ADP en ATP. Au niveau de la membrane interne, le phosphore inorganique nécessaire à la phosphorylation de l’ADP est importé dans la matrice via transporteur de type symport H+/H2PO4-. L’ADP du cytosol est importé par le transporteur de type antiport l’ANT, en échange l’ATP est exporté vers le cytosol. Cette synthèse d’ATP a nécessité une centaine de protéines localisées dans et sur la membrane interne. Le couplage de l'oxydation des métabolites en CO2 (voir cycle de Krebs) plus H2O (chaîne respiratoire) et la production d'ATP, sont désigné sous le terme de phosphorylation oxydative. Il traduit la relation entre oxydation et phosphorylation, ce qui a pour corollaire que lorsque la consommation d’oxygène est faible la synthèse d’ATP l’est aussi et inversement. (exemple : muscle au repos et lors d’un effort) . Au travers la phosphorylation oxydative, la mitochondrie fournit environ 95% de l’énergie utilisée par la cellule. Enfin lorsqu’on calcule la répartition de l’énergie provenant des aliments (100%) on a environ 60% qui servent à produire de l’ATP et 35% qui sont dissipés sous forme de chaleur. Bilan des composés réduits et ATP formés Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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1- A partir du glucose

2- A partir du palmitate

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5. Digestion des glucides et glycolyse • Digestion des glucides 1.1. Action de l'α-amylase salivaire Les glandes salivaires sont au nombre de trois : la glande parotide, la glande sous-maxillaire et la glande sublinguale. La production de salive est estimée à environ 1 litre par jour. Celle-ci joue un rôle de lubrifiant des aliments et facilite la mastication. L'α-amylase salivaire n'est efficace que sur l'amidon cuit. Elle hydrolyse les liaisons α1-4 et dans une moindre mesure les liaisons α1-6. Son pH optimum est de 7 mais elle reste active dans une large gamme de pH, soit entre 4 et 11. 1.2. Digestion luminale dans l'intestin grêle

Constituants osidiques majeurs Avant la digestion intraluminale

Après la digestion Après la digestion entérocytaire et intraluminale l'absorption (1) • Amidon, saccharose, lactose • maltose, maltotriose, glucose, fructose, galactose • fibres alimentaires (cellulose, saccharose, lactose • fibres alimentaires hémicellulose, pectines, (cellulose, hémicellulose, gommes) (2) pectines, gommes) (1) l'absorption des glucides se déroule essentiellement dans le jéjunum. (2) parmi les fibres alimentaires, cellulose et hémicellulose sont insolubles dans l'eau, pectines et gommes sont hydrosolubles. Les fibres alimentaires sont des glucides complexes non dégradés dans l'intestin grêle et pouvant servir de substrat pour la microflore du côlon.

L'action de l'α-amylase salivaire est suivie de l'action de l'α-amylase pancréatique, isoenzyme de la précédente. L'α-amylase pancréatique est synthétisée par les glandes exocrines du pancréas et libérée par le canal choledoque dans le duodénum.

1.3. Ectoenzymes de la bordure en brosse

Ectoenzymes de la bordure en brosse intervenant dans l'absorption des glucides Enzyme Substrat(s) Maltase maltose Saccharase saccharose Lactase lactose

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Les polycopiés de la première année des études de santé Glucoamylase Thréalase

maltotriose, oligosides de 4 à 9 résidus glucosyls tréhalose

De nombreuses ecto-enzymes présentes dans la membrane apicale des entérocytes du jéjunum interviennent dans l'hydrolyse des osides.

galactose + lactose glucose

fructose saccharose + glucose glucose + maltose glucose

G4 ˆG9 glucose lumi¸ re

saccharase lactase

maltase

glucoamylase

membrane apicale entˇrocytaire (jˇ junum) cytoplasme de lÕentˇrocyte

Principales ectoenzymes de la bordure en brosse des entérocytes

Au terme de l'absorption, on a exclusivement trois oses simples : glucose, galactose, fructose.

2. Absorption des glucides L'absorption des glucides simples (glucose, galactose, fructose) se déroule essentiellement dans le jéjunum (pH = 6).

2.1. Absorption du glucose et du galactose Le glucose et le galactose pénètrent dans l'entérocyte via la même protéine de transport : symport Na+ / Glucose. Ce transport est impératif, les oses étant des molécules hydrophiles ne pouvant pas diffuser à travers la membrane plasmique. Le gradient électrochimique de sodium est créé par l'action de l'ATPase Na+ / K+ présenter dans la membrane basolatérale de l'entérocyte. Ce transporteur présente une cinétique michaelienne. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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PAES-Concours.com Les polycopiés de la première année des études de santé glucose ou galactose

fructose

Na +

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lumi¸re membrane apicale de lÕentˇ rocyte

symport glucose - sodium

GLUT5

glucose galactose fructose

transport facilitˇ

membrane basale de lÕentˇrocyte

2.2. Absorption du fructose Le fructose possède un transporteur spécifique dans la lumière apicale de l'entérocyte : le transporteur GLUT5. 2.3. Les transporteurs du glucose Les transporteurs membranaires du glucose appartiennent à deux familles distinctes : ¬ Les transporteurs réalisant un symport Na+ / Glucose (SGLT). ¬ Les transporteurs réalisant un transport facilité du glucose (GLUT). Biochimiquement, les transporteurs GLUT sont composés de douze domaines transmembranaires, d'une longueur d'environ de 500 acides aminés, dont les extrémités N et C sont intracytoplasmiques. À ce jour, 11 isoformes ont été caractérisées (GLUT1 à GLUT12), ainsi qu'un pseudo-gène (GLUT6) ne codant pas un transporteur du glucose fonctionnel. Ces transporteurs diffèrent en termes de distribution cellulaire, de caractéristiques cinétiques et de spécificité relative aux hexoses transportés. Aux six isoformes précedemment caractérisées (GLUT1 à GLUT6) s'ajoutent cinq nouvelles isoformes. Le transporteur GLUT7 est un transporteur intracellulaire présent dans la membrane du réticulum endoplasmique hépatique. • Glycolyse Intro La glycolyse est la principale voie métabolique d’assimilation du glucose. Elle transforme une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate. La glycolyse constitue la première étape de dégradation du glucose, le pyruvate continuera sa dégradation en entrant dans le cycle de Krebs. La glycolyse est une voie métabolique importante pour certains types cellulaires comme les érythrocytes qui possèdent une seule source d'énergie : le glucose. Ils l’utilisent grâce à la glycolyse Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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et surtout à la glycolyse anaérobie (90 %). La glycolyse se déroule dans le cytoplasme de la cellule en condition anaérobie. • Les étapes de la glycolyse (Activation des hexoses puis récupération de l’énergie) Elles sont au nombre de 10, celles en 3 étapes en rouge sont irréversibles  Activation des hexoses 1. Synthèse du glucose-6-phosphate

2. Isomérisation du glucose-6-phosphate en fructose-6-phosphate 3. Synthèse de fructose-1,6-biphosphate

4. Formation du glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) et du dihydroxyacétonephosphate (DHAP) 5. Isomérisation des triosephosphates (on obtient deux GAP)  Récupération de l'énergie 6. Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate 7. Synthèse de 3-phosphoglycérate et récupération d'ATP 8. Synthèse du 2-phosphoglycérate 9. Synthèse du phosphoénolpyruvate 10. Synthèse de pyruvate et récupération d'ATP

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 Bilan de la Glycolyse : Le bilan de la glycolyse est faible il produit deux molécules d’ATP pour une molécule de Glucose (sans tenir compte de la réoxydation des coenzymes d’oxydoréduction réduits NADH ; H+ au sein de la chaîne respiratoire mitochondriale ce qui ferait alors 8 molécules d’ATP).

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Les étapes de la glycolyse

La glycolyse est principalement régulée au niveau de 3 enzymes clés qui sont l’Hexokinase, PFK-1 et la pyruvate kinase. Régulation de l’Hexokinase (HK) : Inhibée par son produit le Glucose-6Phosphate et par le Glucagon (hormone hyperglycémiante) qui s’oppose donc à la lyse du glucose. Activée par Insuline (hormone hypoglycémiante) Régulation de la phosphofructokinase1 (PFK-1) la PFK-1 est régulée de façon allostérique: • L'ATP et le citrate agissent comme des inhibiteurs • L'AMP et le F 2,6 di-P agissent comme des activateurs. La concentration en F 2,6 di-P est donc primordiale sur la glycolyse. Elle est régulée par la phosphofructokinase-2 dont l'activité sera différente selon son état de phosphorylation: • Par l'action du glucagon (hormone hyperglycémiante), elle sera phosphorylée et catalysera la réaction F 2,6 di-P + H2O -> F6P + Pi. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P diminuera et la glycolyse sera ralentie. • Par l'action de l'insuline (hormone hypoglycémiante) elle sera déphosphorylée et catalysera la réaction F6P + ATP -> F 2,6 di-P + ADP. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P augmentera et la glycolyse sera accélérée. Régulation de la pyruvate kinase (PK) Activé par le F-1,6-Bi P et ADP (l’ADP signal un niveau énergétique cellulaire bas, l’ADP signal un manque en ATP et donc stimule la glycolyse) Inhibée par l’ATP (l’ATP signal un haut niveau énergétique cellulaire, s’il y a le l’ATP en forte concentration la cellule n’aura pas besoin de produire d’avantage d’énergie et donc la glycolyse est freinée). Au niveau du foie, elle est également régulée de façon covalente (par l'action d'hormones) • Le glucagon va phosphoryler cette enzyme pour l'inhiber • L'insuline va réaliser l'action inverse pour l'activer.

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Destinée du pyruvate et réutilisation du coenzyme NAD réduit

Il est important de comprendre que la glycolyse cesse lorsque les coenzymes ne sont pas réoxydés sous la forme NAD+. Sans ces coenzymes, l'étape n°6 catalysée par l'enzyme D-glycéraldéhyde-3phosphate déshydrogénase (GAPDH° ne peut se produire, provoquant l'arrêt de la glycolyse. Il est donc crucial de régénérer ces coenzymes. Il existe deux voies métaboliques principales pour cela :

L'une ne nécessite pas de dioxygène, et est appelée fermentation. Il en existe de

plusieurs sortes : fermentation lactique (qui se produit dans le muscle non oxygéné), fermentation butyrique, alcoolique... Pour la fermentation lactique, (schéma ci-dessous), du lactate est produit dans les cellules musculaires par la LDH (lactate déshydrogénase) suivant la réaction suivante qui réoxyde le coenzyme NAD sous forme NAD+.

Puis le lactate une fois dans le foie peut être à nouveau converti en glucose et subir à nouveau la glycolyse : c’est le cycle de Cori.

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L'autre voie de réoxydation des coenzymes nécessite le dioxygène, qui joue le rôle d'accepteur d'électron final, et est appelée respiration, certains parlent de respiration cellulaire pour la différencier de la ventilation pulmonaire, bien que les contextes d'utilisation ne prêtent pas à confusion. Elle a lieu au niveau de la chaîne respiratoire des mitochondries (phosphorylation oxydative) chez les eucaryotes. Le bilan énergétique de la glycolyse suivie de la respiration (36 ATP) est environ 20 fois plus élevé que celui de la glycolyse suivie de la fermentation (2 ATP pour la fermentation lactique).

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6. Néoglucogenèse et métabolisme du glycogène • Intro La néoglucogenèse est la synthèse par le foie de glucose à partir de composés non glucidiques. Cette voie métabolique permet de maintenir la glycémie constante après un long jeune quand les réserves de glucose (sous forme de glycogène) sont épuisées. Le cerveau est gros consommateur de Glucose, son apport ne peut pas s’interrompre, en ce sens cette voie métabolique est majeure. Cette voie de synthèse se fait à partir des composés suivants : principalement à partir des acides aminés tels que l’alanine (60%), aussi à partir du lactate (30%) et finalement le glucose peut aussi être synthétisé à partir de glycérol (10%). Ce glycérol est issu de la dégradation des triglycérides aboutissant à du glycérol et de l’Acétyl CoA. La néoglucogenèse se déroule dans le foie (au niveau des hépatocytes), également dans le rein mais dans une moindre mesure. • Les étapes de la néoglucogenèse Elles sont similaires à celles de la glycolyse. Cependant certaines étapes de la glycolyse sont irréversibles. Il y en a 3, ces trois étapes nécessitent d’être contournées lors de la néoglucogenèse il s’agit des étapes faisant intervenir les enzymes Pyruvate kinase (PK), Phosphofructokinase 1 (PFK1), et Hexokinase (HK). Le contournement fait intervenir plusieurs nouvelles enzymes : la pyruvate carboxy kinase (PCK), la Phosphoenol carboxy kinase (PEPCK), la Fructose-1,6-biphosphatase et la Glucose 6 phosphatase. La conversion du pyruvate en glucose est la voie centrale et utilise en partie les mêmes voies métaboliques que la glycolyse (mais dans l'autre sens). Elle est contrôlée par des hormones hyperglycémiantes (glucagon) qui agissent, entre autres, sur les hépatocytes. Trois des étapes de la glycolyse ne sont pas réversibles, on emprunte alors des détournements. Il s'agit de shunter ces trois étapes (nécessitant soit un ATP soit un NADP). On ne traite ici que des différences avec la glycolyse inversée, il est donc important de bien l'avoir comprise. Pyruvate -> Phosphoénol pyruvate (PEP) -> … • Le pyruvate se fait d'abord transformer dans la mitochondrie des cellules hépatiques en

oxaloacétate par l'enzyme pyruvate carboxykinase (PCK), enzyme qui a besoin de biotine (et donc d'acetyl-coA). Cette première transformation chimique consomme une molécule de CO2 et consomme un adénosine triphosphate. • Puis l’oxaloacétate va être transporté par les navettes malate/aspartate : l'oxaloacétate est transformé en malate (en consommant un NAD) ou aspartate, transporté par les navettes, puis retransformé en oxaloacétate dans le cytosol, régénérant un NAD. • Enfin, l'oxaloacétate est transformé en Phosphoénol pyruvate (PEP) par la PEP carboxykinase ou PEPCK en consommant un GTP et en libérant une molécule de CO2. Pour les autres étapes, on remonte le schéma de la glycolyse… Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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… -> Fructose-1,6-bisphosphate -> Fructose-6-phosphate -> … Ce passage se fera sous l'action de l'enzyme fructose bisphosphatase qui enlèvera un groupement phosphate par hydrolyse. Cette enzyme est régulée de façon allostérique : -par l'ATP qui l'active -par le F 2,6 di-P et par l'AMP qui l'inhibent. … -> Glucose-6-phosphate -> Glucose Enfin, la glucose-6-phosphatase va enlever le dernier groupement phosphate au glucose-6-phosphate (G6P) ce qui donne du glucose. • La régulation Elle est opposée à celle de la glycolyse puisque la néoglucogenèse est l’inverse de la glycolyse.

PCK: Activée par l’AcétylCoA et le glucagon Inhibée par l’ADP et l’Insuline

PEPCK Inhibée par l’ADP (de l’énergie a été consommée il faut donc en refournir par le biais de la glyolyse et donc arrêter la néoglucogenèse).

Fructose 1,6 bi phosphatase Activée par le citrate Inhibée par l’ADP et le Fructose 2,6 Biphosphate GLOBALEMENT LA REGULATION SE FAIT AVEC LES HORMONES GLUCAGON QUI ACTIVE CETTE VOIE ET L’INSULINE QUI L’INHIBE.

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Connexion avec les autres voies métaboliques

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Synthèse du Glucose à partir du lactate et de l’alanine

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7. Digestion et transport des lipides L'assimilation des produits de la digestion des lipides est plus complexe que celle des glucides. La plupart de ces produits sont en effet très peu solubles dans l'eau et leur absorption au niveau de la barrière intestinale est résolue de manière particulière. La digestion des lipides aboutit dans l'intestin à un mélange de monoglycérides, de di- et triglycérides non encore complètement hydrolysés, de glycérol, d'acides gras à courtes et à longues chaînes, de phospholipides, de cholestérol et d'esters de cholestérol. L'essentiel de ces composés va être absorbé sous forme micellaire, au niveau de l'intestin grêle, avec quelques autres substances liposolubles (différentes vitamines notamment). L'absorption des micelles se fait par endocytose. Sous l'action de sels biliaires, des enzymes digestives et du brassage mécanique, des micelles de petite taille (3 à 6 nm) sont formées à partir des composés liposolubles. La fraction polaire des molécules les plus solubles est tournée vers l'extérieur et forme, avec les sels biliaires une "enveloppe" contenant les composés les plus insolubles. Les micelles ainsi structurées dans le duodénum sont endocytées essentiellement dans le jéjunum. Les sels biliaires sont exclus dans ce processus et sont libérés dans la lumière intestinale où ils peuvent participer à la formation de nouvelles micelles. Ils arrivent ainsi sous forme libre au niveau de l'iléon où ils sont absorbés, déversés dans le flot sanguin et ramenés au foie d'où ils sont réinjectés dans le duodénum avec de nouveaux sels synthétisés. Ce cycle entéro-hépatique permet une économie non négligeable de sels biliaires. On estime ainsi chez l'homme la teneur en sels biliaires à 6 g environ alors que 24 g par jour sont nécessaires à l'absorption des lipides. Les sels biliaires parcourent donc le cycle entérohépatique 4 fois par jour.

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L'assimilation des produits de digestion des lipides

Les micelles une fois endocytées sont désorganisées. Les acides gras à courte chaîne, relativement hydrosolubles, sont déversés dans le sang où ils sont associés à l'albumine pour être véhiculés jusqu'aux cellules. Les produits moins hydrosolubles vont être réorganiser dans les entérocytes en vésicules lipoprotéiques qui vont assurer leur transport vers le sang. Dans ce processus, une bonne part des acides gras à longue chaîne et des monoglycérides endocytés sont resynthétisés en triglycérides dans le reticulum endoplasmique des entérocytes. Les vésicules lipoprotéiques (aussi appelées lipoprotéines) ont une enveloppe hydrophile formée des composés les plus polaires, essentiellement cholestérol et phospholipides auxquels sont ajoutées des protéines : les apolipoprotéines ou apoprotéines. L'intérieur contient les éléments moins solubles : triglycérides, esters de cholestérol, vitamines, etc.. Elles sont ainsi déversées dans le sang, transportées vers les tissus et endocytées. Les apoprotéines ajoutées dans les cellules intestinales sont en fait les ligands qui interviennent dans la reconnaissance des vésicules avant endocytose. Les lipides libérés dans les cellules après endocytose et digestion des lipoprotéines sont stockés (gouttelettes lipidiques, adipocytes) ou métabolisés. Dans le foie, ils vont en outre participer à la formation de nouvelles lipoprotéines avec les composés lipidiques synthétisés par celui-ci pour le reste de l'organisme. Ce processus relativement complexe aboutit à la formation de plusieurs types de lipoprotéines, différentes par leur taille et leur contenu. On distinguera ainsi les chylomicrons qui sont les plus larges, d'un diamètre variant entre 80 et 500 nm; ils contiennent essentiellement des triglycérides, viennent ensuite, par diamètres décroissants les VLDL (Very Low Density Lipoproteins), les LDL (Low Density Lipoproteins) et les HDL (High Density Lipoproteins) de compositions assez différentes. Remarquez dans ce cadre la proportion importante d'esters de cholestérol que contiennent les LDL et qui explique leur mauvaise réputation en médecine dans le cadre de la "chasse" au cholestérol.

Différents types de vésicules lipoprotéiques du plasma sanguin

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8. ßoxydation des acides gras • La β oxydation Le métabolisme énergétique d'une cellule repose en partie sur les glucides mais aussi sur les lipides qui contiennent, à masse identique, deux fois plus de calories. Les lipides constituent une réserve importante d'énergie au niveau des organismes car ils sont plus facilement stockés que les glucides grâce à leur propriété hydrophobe. La β oxydation est l'ensemble des réactions qui permettent d'oxyder partiellement les acides gras en unités acétyl-CoA dans le but de libérer des coenzymes réduits afin de synthétiser de l'ATP : la monnaie énergétique de la cellule. La β oxydation dans la cellule Le β oxydation ou hélice de Lynen prend place entièrement dans la matrice mitochondriale. Les acides gras sont cependant activés (consommation de 2 ATP pour former un Acyl-CoA) dans le cytoplasme avant d'être déplacés dans la matrice mitochondriale. Cette localisation mitochondriale est judicieuse puisque la proximité du cycle de krebs permet l'utilisation immédiate des unités acétylCoA produites. Sa principale fonction est d’agir comme voie de dégradation des acides gras, son substrat. Les acides gras sont décomposés en unités de 2 atomes : l'acétyl-CoA. Les réactions de la β oxydation Le but de la β oxydation est de formés des unités Acétyl-CoA (à 2 carbones) à partir des acides gras (en contenant généralement autour de 16). La β oxydation comprend une succession de réactions qui débutent sur un Acyl-CoA et finissent par libérer une unité Acétyl-CoA et un Acyl-CoA raccourci de 2 carbones. Ce composé peut alors être réutilisé pour un nouveau tour d'hélice, jusqu'à ce qu'il comporte moins de 4 atomes de carbone.

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Un tour d'hélice produit des coenzymes réduits (NADH+ + H+ et FADH2) qui seront réoxydés au niveau de la chaine respiratoire induisant la production d'une grande quantité d'ATP par phosphorylation oxydative mais aussi une unité Acétyl-CoA qui rejoindra le cycle de Krebs pour une oxydation totale. Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Le bilan de la β oxydation Un tour d'hélice a pour bilan Acyl-CoA + NAD+ + FAD + H2O + CoASH ⇔ Acyl(n-2)CoA + NADH+ + H+ + FADH2 + Acétyl CoA

Ainsi, l'ensemble des réactions de la β oxydation à partir du palmitate (16 carbones) donne après 7 tours Palmitate + 2 ATP + 8 CoASH + 7 NAD+ + 7FAD + 7H2O ⇔ 7 NADH+ + 7H+ + 7FADH2 + 8 Acétyl CoA + 2 ADP + 2 Pi Au final, l'acide gras ést totalement "découpé" en unités Acétyl-CoA permettant la formation de NADH + H+ et FADH2 soit 5 (NADHx3 +FADH2x2) ATP par tour d'hélice. L'absence d'oxygène stoppe la β oxydation par manque de coenzymes oxydés c'est donc un métabolisme aérobie.

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9. Biosynthèse des acides gras et cétogénèse • Lipogenèse biosynthèse des AG :

Figure 1. Synthèse du malonyl-CoA à partir de l'acétyl-CoA par l'acétyl-CoA carboxylase. Il s'agit de la première étape de la synthèse des acide gras.

Figure 2. Synthèse de l'acide palmitique par l'« Acyl Carrier Protein » (ACP). La lipogenèse permet la synthèse d'acides gras saturés par condensation de molécules d'acétate à 2 carbones. Chez les mammifères, ce processus a lieu dans le cytoplasme des cellules, principalement Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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du foie, des tissus adipeux et des glandes mammaires. Cependant, il ne permet pas de synthétiser des acides gras saturés à plus de 16 carbones (acide palmitique) ou des acides gras insaturés. L'ensemble de la synthèse est réalisée au niveau d'un complexe multi-enzymatique appelée acide gras synthase. Le bilan de la synthèse de l'acide palimitique est: 8 acétyl-CoA + 7×ATP + 14(NADPH + H+) → acide palmitique (C16:0) + 8 CoA + 7(ADP + Pi) + 14NADP+ + 6H2O Cette synthèse est consommatrice d'énergie sous forme d'ATP et nécessite comme cofacteur du Coenzyme A (CoA) et du Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate (NADP). le CoenzymeA permet de faciliter l'utilisation de l'acétate par la cellule. L'acétyl-CoA provient principalement de la mitochondrie où il est synthétisé à partir du pyruvate lors du cycle de Krebs. Le NADP est l'agent réducteur de la synthèse des acides gras. De fait, il est oxydé à la fin de la réaction et doit être régénéré. L'élongation des acides gras saturés au-delà de 16 atomes de carbone est réalisée dans le réticulum endoplasmique et la mitochondrie. Dans le premier cas, l'élongation implique des acides gras élongases. Dans le second cas, l'élongation implique paradoxalement certaines enzymes de la lipolyse. La synthèse des acides gras insaturés à partir des acides gras saturés a lieu aux niveaux de la membrane du réticulum endoplasmique par des acide gras désaturases. La désaturation est consommatrice d'oxygène moléculaire (O2) et utilise comme cofacteur du Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD): acide stéarique + 2(NADH + H+) + O2 → acide oléique + NAD+ + 2H2O Tous les organismes ne synthétisent pas forcément tous les acides gras saturés et insaturés possibles. Par exemple, l'homme ne peut pas synthétiser l'acide linoléique. Cet acide gras est dit essentiel et doit être apporté par l'alimentation.

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• La Cétogenèse : La cétogenèse est la voie secondaire de consommation de l'Acétyl-coenzyme A mise en place de manière importante en période de jeûne prolongé ou de diabète quand l'organisme ne peut puiser dans ses réserves de glucose pour produire l'énergie dont il a besoin. En effet dans ces conditions, le cycle de Krebs est ralenti car ses susbtrats ( principalement l'oxaloacétate ) sont utilisés par une autre voie : la gluconéogénèse. Ainsi l'acétyl-CoA ( issu de la bêta oxydation des acides gras ) ne peut être transformé en citrate et va alors rejoindre la voie de la cétogenèse en tant que substrat. Le but de la cétogenèse est de transporter l'acétyl-coA du foie vers les muscles ( sans passer par la glycolyse musculaire) par l'intermédiaire de corps cétoniques. Les corps cétoniques produits par la cétogenèse sont au nombre de trois : acétoacétate bêta hydroxybutyrate acétone Les corps cétoniques sont produits par le foie et utilisés principalement par les muscles et le cerveau selon le mécanisme suivant. Etapes de la cétogenèse : Enzyme : Bêta céto-thiolase : Même enzyme que pour la synthèse des hormones stéroïdiennes ( cf Cholestérol ), elle permet la condensation de 2 Acétyl Co-A (co-enzyme A) et produit de l'acétoacetyl-CoA ainsi qu'un CoA réduit. Enzyme : HMG Co-A synthase : Condensation d'un troisième acétyl-CoA sur l'acétoacétyl-CoA formant un HMG-CoA ( Beta Hydroxy Methyl Glutaryl-CoA). C'est le carrefour entre la synthèse des hormones stéroïdiennes ou des trois corps cétoniques. Enzyme : HMG Co-A Lyase : Clive le HMG-CoA en acétoacétate (premier corps cétonique) et acétyl-CoA. L'acétoacétate peut-être décarboxylé spontanément en Acétone (deuxième corps cétonique) ou être réduit par l'enzyme suivante : acetoacetate decarboxylase Enzyme : Bêta-HydroxyButyrate déshydrogénase : Réduction de l'acétoacétate grâce à un co-enzyme réduit NADH, H+ (qui sera donc transformé en NAD+) et production de 3-hydroxybutyrate (troisième corps cétonique) Année universitaire 2011-2012 http://www.paes-concours.com contact@paes-concours.com 03 55 67 41 26

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Résumé : Acides gras → acyl-CoA + acétyl CoA → acétoacétylCoA → HMG-CoA → acétoacétate Acétoacétate → acétone (→ voie respiratoire) [ perte d'1 CO2 ] → Bêta-hydroxybutyrate [ perte d'1 NADH ] 10. Métabolisme général des acides aminés et cycle de l’urée • Du point de vue métabolique : On distingue les acides aminés indispensables pour l’homme des autres : ce sont des acides aminés qui ne peuvent être synthétisés dans les cellules humaines et qui doivent donc être apportées par l’alimentation. Lorsque les protéines se décomposent dans l'intestin, les acides aminés sont "libérés" du "collier". Ainsi, ils peuvent pénétrer la paroi intestinale. Ils se mélangent par la suite à d'autres acides aminés (notamment ceux provenant des protéines corporelles dégradées) pour former le "pool des acides aminés". De ce "pool" sont choisis les acides aminés dont l'organisme a besoin pour synthétiser les protéines qui lui manquent. Une fois choisis, ils sont liés dans le ribosome des cellules qui, eux, déterminent l'ordre des différentes "perles" à partir de l'information détenue dans l'ADN. D'autres acides aminés du "pool" sont aussi utilisés pour produire du glucose et des acides gras. Le processus par lequel l'organisme synthétise du glucose à partir des acides aminés s'appelle la "néoglucogénèse". Il consiste tout d'abord en la suppression du groupe amino (la partie NH2) grâce à une réaction impliquant de la pyridoxine (vitamine B6). Le groupe amino, qui est maintenant sous forme d'ammoniac (NH3) est tout de suite transformé en urée par le foie car cette substance est toxique. Le foie transforme ensuite le restant du groupe (appelé chaîne carbonée) en glucose ou en acides gras (qui sont les éléments de bases des lipides), ou aucun. Cela dépend si la chaîne carbonée est glucogénique (transformable en glucose) ou cétogénique (transformable en acides gras). Cette capacité est importante dans les cas d'une glycémie trop faible.

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• Cycle de l’urée : Dégradation des acides aminés : Les acides aminés sont dégradés dans l'estomac par le pH acide et les pepsines et dans l'intestin par des protéases. Les acides aminés ne sont pas stockés dans l'organisme, contrairement au glucose et aux lipides. Le corps a développé tout un système pour utiliser les acides aminés en excès au maximum comme combustibles. Le cycle de l'urée ou cycle de l'ornithine est un cycle de réactions biochimiques chez divers animaux qui produisent de l'urée à partir de l'ammoniaque. Il s'agit du premier cycle métabolique identifié dès 1932 par Krebs et Hensenleit. Ce cycle se déroule dans le foie, dans les hépatocytes périportaux. L'une des particularités de ce cycle est d'être à cheval entre deux compartiments subcellulaires : le cytosol et la mitochondrie.

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Chez les animaux uréotéliques (notamment les mammifères, dont l'homme), l'urée est le principal produit d'élimination du métabolisme azoté. L'uréotélie est caractéristique de la vie en milieu aérien, alors que l'ammoniotélie caractérise les organismes animaux aquatiques. Il existe des déficits du cycle de l'urée, se déclarant généralement après la naissance qui consistent généralement en un déficit d'activité d'une des quatre premières enzymes du cycle. C'est un diagnostic sévère (> 50% de mortalité). Le traitement consiste en une alimentation appauvrie en protéines, parfois selon les cas enrichie en arginine. Une molécule, le phénylbutyrate permet de traiter certains déficits en évitant le cycle de l'urée en se condensant avec la glutamine pour donner la phénylacétylglutamine, éliminée par ultrafiltration rénale. Réactions biochimiques : Dans la mitochondrie Dans la mitochondrie, une enzyme, la Carbamyl Phosphate Synthétase I (CPS I), produit le carbamylphosphate à partir de l'ion ammonium (NH4+), de l'ATP et du dioxyde de carbone (CO2). Cette réaction se fait en deux étapes consommant chacune une molécule d'ATP. Le carbamyl apporte l'atome de carbone et un atome d'azote de la future molécule d'urée. LA CPS I doit être activée par le N-acétylglutamate, effecteur allostérique. Chez certains animaux, dont les dipneustes, cette réaction est catalysée par une CPS III. NB La CPS II est impliquée dans la synthèse des bases pyrimidiques, cette isoenzyme est cytosolique. Le carbamyl-phosphate résultant se condense ensuite avec l'ornithine pour donner la citrulline. Cette réaction est catalysée par l'ornithine transcarbamylase (OTC). La citrulline est exportée dans le cytoplasme par diffusion facilitée. Dans le cytoplasme La citrulline se condense, en présence d'ATP, avec une molécule d'acide aspartique qui apporte le deuxième atome d'azote de l'urée. L'enzyme (arginosuccinate synthase AS) possède la particularité de produire de l'AMP à partir de l'ATP, clivage qui permet la libération d'une énergie de réaction plus importante pour la réaction grâce à la pyrophosphatase qui hydrolyse l'ion pyrophasphate alors formé. En effet, l'étude de l'énergétique de la réaction montre que l'hydrolyse classique de l'ATP en ADP n'apporterait pas suffisamment d'énergie pour la réaction, la variation d'énergie libre entre les substrats principaux et l'arginossucinate étant trop élevée. Dans un second temps, l'AMP réagit avec une molécule d'ATP dans le cytoplasme pour régénérer de l'ADP : au final deux ATP sont bel et bien consommés. Ensuite, l'acide argino-succinique est converti en arginine et en acide fumarique par l'arginosuccinate lyase (AL).

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L'arginase catalyse l'hydrolyse de l'arginine en ornithine et urée en consommant une molécule d'eau. L'ornithine est ainsi régénérée et peut regagner la mitochondrie pour fixer une nouvelle molécule de carbamyl-phosphate.

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Atomes, biomolécules, génome, bioénergétique, métabolisme

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