Biochimie et biologie moléculaire — le socle : molécules du vivant, enzymes, génome

Partie 1 — Les molécules du vivant

Dans cette partie :

• Glucides : structure et rôles
• Lipides : diversité et fonctions
• Protéines : acides aminés et structure

Définition : Glucide

Molécule organique composée de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, de formule générale (CH₂O)n, dont la fonction principale est la production et le stockage d'énergie ainsi que le rôle structural dans certains polymères biologiques.

Origine du terme : du latin « glucis » (doux) et du suffixe chimique -ide

Définition : Lipide

Molécule organique apolaire ou amphiphile, insoluble dans l'eau et soluble dans les solvants organiques, regroupant les acides gras, triglycérides, phospholipides, sphingolipides et stéroïdes, aux fonctions énergétiques, structurales et de signalisation.

Origine du terme : du grec « lipos » (graisse)

Définition : Protéine

Macromolécule biologique composée d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques formées par l'enchaînement d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, dont la structure tridimensionnelle détermine la fonction biologique.

Origine du terme : du grec « proteios » (qui occupe la première place), via le latin scientifique

Classification des glucides

• Oses (monosaccharides) : glucose, fructose, galactose
• Diholosides : saccharose, lactose, maltose
• Polyosides : amidon, glycogène, cellulose
• Liaison osidique : liaison glycosidique entre oses

Rôles biologiques des glucides

• Source d'énergie rapide : glucose → ATP (glycolyse)
• Stockage : glycogène hépatique et musculaire
• Rôle structural : peptidoglycane bactérien, chitin
• Signal cellulaire : glycoprotéines membranaires

Acides gras : saturés vs insaturés

• Acide gras saturé : pas de double liaison C=C
• Acide gras insaturé : une ou plusieurs doubles liaisons
• Configuration cis (naturelle) vs trans (industrielle)
• Notation Δ : position de la double liaison

Phospholipides et membranes cellulaires

• Structure amphiphile : tête polaire + 2 queues apolaires
• Bicouche lipidique : auto-assemblage en milieu aqueux
• Fluidité membranaire : dépend du degré d'insaturation
• Cholestérol : régulateur de fluidité

Les quatre niveaux de structure des protéines

• Structure primaire : séquence d'acides aminés
• Structure secondaire : hélice α, feuillet β (liaisons H)
• Structure tertiaire : repliement 3D d'une chaîne
• Structure quaternaire : assemblage de plusieurs chaînes

Cas : Drépanocytose et structure primaire

• Mutation ponctuelle : Glu → Val en position 6 de la chaîne β
• Hémoglobine S : polymérisation en conditions hypoxiques
• Drépanocytes : érythrocytes en faucille, fragilité accrue
• Leçon : 1 acide aminé changé = maladie grave

Apports lipidiques recommandés et réalité française

Les recommandations officielles sur les lipides alimentaires contrastent avec les apports réels observés en population française.

• 38 % Part de l'énergie issue des lipides chez l'adulte français moyen (ANSES, Étude INCA 3, 2017)
• +3 pts Excès d'acides gras saturés vs recommandation ANSES (ANSES, 2019)

À retenir : Glucides

• Formule générale : (CH₂O)n
• 3 classes : oses, diholosides, polyosides
• Liaison glycosidique : α ou β, position C indispensable
• 4 fonctions : énergie, stockage, structure, signalisation

À retenir : Lipides

• Lipides saponifiables vs insaponifiables
• Acide gras saturé (pas de C=C) vs insaturé
• Bicouche lipidique : auto-assemblage amphiphile
• Cholestérol : régulateur de fluidité membranaire

À retenir : Protéines

• 20 acides aminés protéinogènes, 8 essentiels
• Liaison peptidique : covalente, plane, rigide
• 4 niveaux structuraux : 1°, 2°, 3°, 4°
• Structure → fonction : exemple drépanocytose

Partie 2 — Les enzymes : catalyseurs du vivant

Dans cette partie :

• Propriétés générales des enzymes
• Cinétique enzymatique et paramètres
• Régulation et inhibition enzymatique

Définition : Enzyme

Biocatalyseur protéique — ou ribozyme ARN — qui accélère une réaction chimique spécifique sans être consommé, en abaissant l'énergie d'activation de la réaction via la formation d'un complexe enzyme-substrat.

Origine du terme : du grec « en » (dans) + « zymè » (levain, ferment)

Spécificité et nomenclature des enzymes

• Spécificité de substrat : stricte ou de groupe
• Spécificité de réaction : une enzyme, une réaction
• Nomenclature EC : 6 classes (oxydoréductases, ...)
• Exemples : amylase (hydrolase), lactase (hydrolase)

Équation de Michaelis-Menten

• v = Vmax × [S] / (Km + [S])
• Km : concentration pour v = Vmax / 2
• Vmax : vitesse maximale à saturation
• Km faible = forte affinité enzyme-substrat

Facteurs influençant la vitesse enzymatique

• Température : optimum vers 37 °C chez l'humain
• pH : optimum variable selon l'enzyme
• Concentration en substrat : courbe hyperbolique
• Concentration en enzyme : effet linéaire (à [S] fixé)

Inhibition compétitive vs non compétitive

• Inhibition compétitive : Km augmente, Vmax inchangée
• Inhibiteur entre en compétition avec le substrat
• Inhibition non compétitive : Vmax diminue, Km inchangée
• Inhibiteur se fixe en dehors du site actif

Régulation allostérique et rétroaction

• Enzyme allostérique : site actif + site régulateur
• Effecteur positif : augmente l'activité
• Effecteur négatif (inhibiteur) : diminue l'activité
• Rétro-inhibition : produit final inhibe l'enzyme initiale

Cas : Inhibiteurs de l'enzyme de conversion (IEC)

• Enzyme cible : ECA (enzyme de conversion de l'angiotensine)
• ECA : convertit angiotensine I → angiotensine II (vasoconstricteur)
• IEC (ex. captopril) : inhibiteur compétitif de l'ECA
• Effet : baisse de pression artérielle

Constantes Km de quelques enzymes cliniquement importantes

Les valeurs de Km illustrent la diversité des affinités enzymatiques et leur pertinence diagnostique.

• ×100 Ratio Km glucokinase / hexokinase : rôle de capteur glycémique hépatique (Biochimie, Stryer et al.)
• < 1 ms Demi-vie du complexe ES pour l'acétylcholinestérase : enzyme ultra-rapide (Données biochimiques de référence)

À retenir : Propriétés générales des enzymes

• Enzyme = biocatalyseur non consommé
• Abaisse l'énergie d'activation
• Site actif : clé-serrure ou ajustement induit
• 6 classes EC : oxydoréductases à ligases

À retenir : Cinétique enzymatique

• Équation MM : v = Vmax × [S] / (Km + [S])
• Km faible = forte affinité
• Optimum T° et pH : spécifiques à chaque enzyme
• Graphe hyperbolique : savoir extraire Km et Vmax

À retenir : Régulation enzymatique

• Compétitif : Km ↑, Vmax stable
• Non compétitif : Vmax ↓, Km stable
• Allostérie : site régulateur distinct du site actif
• Rétro-inhibition : produit final inhibe enzyme initiale

Partie 3 — Le génome : structure, expression, transmission

Dans cette partie :

• ADN : structure et organisation du génome
• Expression du génome : transcription et traduction
• Réplication, mutations et réparation de l'ADN

Définition : Acide désoxyribonucléique (ADN)

Polymère biologique formé de désoxyribonucléotides reliés par des liaisons phosphodiester, organisé en double hélice antiparallèle stabilisée par des liaisons hydrogène entre bases complémentaires, portant l'information génétique héréditaire.

Origine du terme : de l'anglais DeoxyriboNucleic Acid, du grec «deoxy» (sans oxygène) + «ribose» + nucléique

Organisation du génome humain

• Génome humain : ~3,2 milliards de paires de bases
• ~20 000 à 25 000 gènes codants
• ADN non codant : ~98 % du génome
• Chromatine : ADN + histones → nucléosomes

La transcription : de l'ADN à l'ARNm

• Lieu : noyau (eucaryotes), cytoplasme (procaryotes)
• Enzyme : ARN polymérase II (chez eucaryotes)
• Sens : brin matrice lu 3'→5', ARNm synthétisé 5'→3'
• Maturation ARNm : coiffage, polyadénylation, épissage

La traduction : de l'ARNm à la protéine

• Lieu : ribosome (cytoplasme ou RE rugueux)
• Acteurs : ARNm, ARNt, ribosome (ARNr)
• Code génétique : codon = 3 bases → 1 acide aminé
• Phases : initiation, élongation, terminaison

Le dogme central de la biologie moléculaire

• ADN → ARN → Protéine : flux normal de l'information
• Rétrotranscription : ARN → ADN (rétrovirus, VIH)
• Le dogme central ne prédit pas tous les cas

La réplication de l'ADN

• Réplication semi-conservative : chaque brin = matrice
• Origines de réplication : multiples chez eucaryotes
• Fourche de réplication : brin continu + brin discontinu
• Fragments d'Okazaki : brin retardé, synthèse par segments

Mutations et mécanismes de réparation

• Mutation ponctuelle : substitution, insertion, délétion
• Mutation faux-sens, non-sens, silencieuse
• Agents mutagènes : UV, rayons X, agents alkylants
• Réparation : excision de base, excision de nucléotide

Cas : Exercice original — Déchiffrer une mutation ponctuelle

• Séquence ADN originale : 5'-ATG-GAA-GGT-TAA-3'
• Mutation : remplacement G→A en position 7
• Séquence mutée : 5'-ATG-AAA-GGT-TAA-3'
• Question : quel type de mutation ? quel effet ?

À retenir : Structure de l'ADN et génome

• Double hélice antiparallèle, liaison phosphodiester
• A-T (2 liaisons H), G-C (3 liaisons H) : règles de Chargaff
• ~3,2 Gbp, ~20 000-25 000 gènes, <2 % codants
• Nucléosome : unité de base de la chromatine

À retenir : Transcription et traduction

• Transcription : noyau, ARN pol II, brin matrice 3'→5'
• Maturation ARNm : coiffe, poly-A, épissage (eucaryotes seulement)
• Traduction : ribosome, ARNt, code génétique
• Codon AUG (Met) = start ; UAA, UAG, UGA = stop

À retenir : Réplication, mutations, réparation

• Réplication semi-conservative, sens 5'→3' obligatoire
• Fragments d'Okazaki : brin retardé, ADN ligase
• Mutation faux-sens, non-sens, silencieuse : à distinguer
• BER et NER : systèmes de réparation essentiels