Fiche de révision : Peptides et bioénergétique cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Cellule et fonctions des protéines
2. Structure et classification des acides aminés
3. Polarité et chaînes latérales
4. Propriétés physiques des acides aminés
5. Polarité et propriétés ioniques
6. Réactivité et structure des peptides
7. Liaisons peptidiques et structures protéiques
8. Énergie libre et thermodynamique cellulaire
9. Catabolisme, anabolisme et ATP
10. Phosphates et réactions de l’ATP
11. Nucléotides et voies métaboliques centrales
12. Métabolisme du glucose
13. Voies centrales du catabolisme
14. Métabolisme des lipides
15. Métabolisme des protéines
16. Rationalisme et relativisme scientifiques
17. Essais cliniques et preuves médicales
18. Fonctions organiques monovalentes

📖 1. Cellule et fonctions des protéines

★ À maîtriser

• Les protéines assurent notamment les rôles suivants :

  • liaison à l’ADN
  • métabolisme
  • structure
  • catalyse biologique
  • transport
  • commutation de signalisation

• L’insuline est une hormone composée de deux chaînes, A et B, qui favorise l’entrée du glucose dans les cellules et diminue ainsi la glycémie.

Compléments

• Les cellules intègrent des molécules variées et compactées qui interagissent selon leurs affinités ou leurs concentrations.

• L’albumine transporte des hormones et d’autres composés et sa concentration dans le sang est de 60 g/L.

💡 Astuce mémo

Séquence → repliement → identité et fonction

📖 2. Structure et classification des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Molécule possédant un carbone α tétraédrique lié à un groupe carboxyle, un groupe amine, un hydrogène et une chaîne latérale R.

★ À maîtriser

📌 Un acide aminé isolé dépend de ses fonctions carboxyle et amine ainsi que de sa chaîne latérale, tandis que dans une protéine ses propriétés dépendent uniquement de sa chaîne latérale.

• Le cours dénombre 21 acides aminés protéinogènes, dont la sélénocystéine, analogue de la cystéine où le soufre est remplacé par le sélénium.

• Les neuf acides aminés indispensables sont :

  • histidine
  • leucine
  • thréonine
  • lysine
  • tryptophane
  • phénylalanine
  • valine
  • méthionine
  • isoleucine

Compléments

• Des modifications post-traductionnelles citées transforment :

  • la proline en hydroxyproline
  • la lysine en hydroxylysine
  • la cystéine en cystine

• Les acides aminés non protéinogènes participent au métabolisme intermédiaire, et le cours en dénombre plus de 300.

📖 3. Polarité et chaînes latérales

★ À maîtriser

📌 Les acides aminés hydrophobes ont des chaînes latérales surtout constituées de carbone et d’hydrogène, sont apolaires et peu solubles dans l’eau, tandis que les hydrophiles possèdent notamment de l’oxygène, du soufre ou de l’azote et interagissent avec l’eau.

• Les acides aminés amphipathiques possèdent à la fois des régions hydrophiles et hydrophobes, ce qui les rend adaptés à la formation d’interfaces.

• La chaîne latérale détermine notamment la réactivité, la charge et la solubilité d’un acide aminé, ainsi que sa localisation dans une protéine ou un site actif.

Compléments

• La proline fait exception parmi les acides aminés hydrophobes cités, car sa chaîne latérale comporte un atome d’azote.

• La tyrosine est amphipathique parce que son groupement hydroxyle est polaire alors que son noyau aromatique est apolaire.

💡 Astuce mémo

Hydrophobes au cœur, hydrophiles au contact de l’eau

📖 4. Propriétés physiques des acides aminés

★ À maîtriser

📌 La plupart des acides aminés ont un carbone α asymétrique et sont chiraux, tandis que la glycine est symétrique et achirale.

• En représentation de Fisher, avec le carboxyle en haut et la chaîne latérale dirigée vers l’arrière, une fonction amine à gauche indique la série L et à droite la série D.

• La série L ou D ne prédit pas le sens de déviation de la lumière polarisée : un acide aminé de série L peut être dextrogyre ou lévogyre.

• La phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane absorbent dans l’UV proche, avec des maxima respectifs à 260 nm, 275 nm et 280 nm.

Compléments

📐 Formule - La loi de Biot relie la rotation observée au pouvoir rotatoire spécifique, au trajet optique et à la concentration : $A^\circ = [\alpha]_{\lambda}^{T} l c$.

• La spectrophotométrie dans l’UV proche peut quantifier des protéines de petite taille contenant des acides aminés aromatiques, dont la mesure colorimétrique est difficile.

📖 5. Polarité et propriétés ioniques

★ À maîtriser

• Les acides aminés polaires chargés cités sont :
  • l’acide aspartique
  • l’acide glutamique
  • l’arginine
  • la lysine
  • l’histidine

📌 Les interactions électrostatiques sont atténuées par l’eau, qui les masque partiellement, mais peuvent être fortes dans une région non polaire d’une protéine.

• Les acides aminés polaires non chargés peuvent former des liaisons hydrogène avec l’eau et sont hydrophiles.

📐 Formule - Pour l’acide aspartique, le pHi est la moyenne des deux pK qui encadrent sa forme zwitterionique : $pHi = \frac{2{,}1+4}{2}=3{,}05$.

Compléments

• Une liaison covalente est polarisée lorsque ses atomes ont des électronégativités différentes, le moment dipolaire étant orienté de δ− vers δ+.

• La phosphorylation des chaînes latérales hydroxylées de la sérine ou de la thréonine peut inhiber ou activer l’activité biochimique d’une protéine.

📖 6. Réactivité et structure des peptides

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison amide formée par condensation du carboxyle d’un acide aminé et de l’amine d’un autre, avec libération d’eau.

★ À maîtriser

• Deux cystéines peuvent s’oxyder et former un pont disulfure covalent qui rapproche des régions éloignées d’une chaîne et contribue à la structure tertiaire d’une protéine.

• L’insuline comporte trois ponts disulfure : un intrachaîne qui replie la chaîne A sur elle-même et deux interchaînes.

• La liaison peptidique est rigidifiée par la résonance, ce qui limite la rotation autour de la liaison C–N et les conformations possibles de la chaîne.

Compléments

• Le dithiothréitol (DTT) est un réactif réducteur qui peut réduire les ponts disulfure afin de séparer les chaînes protéiques.

💡 Astuce mémo

Condensation → liaison peptidique → chaîne N-ter vers C-ter

📖 7. Liaisons peptidiques et structures protéiques

★ À maîtriser

• Une protéine est un polypeptide dont la masse moléculaire dépasse 10 000 Da, soit 10 kDa.

• La liaison peptidique est stabilisée par résonance, ce qui délocalise les électrons et immobilise dans un même plan le carbone, l’azote, l’oxygène et l’hydrogène.

• La distance entre deux carbones α reliés par une liaison peptidique est toujours de 3,6 Å, quelle que soit la composition des chaînes latérales.

• Une chaîne polypeptidique possède une extrémité amino-terminale N-ter portant un groupe NH₃⁺ libre et une extrémité carboxy-terminale C-ter portant un groupe COO⁻ libre.

📌 La structure primaire désigne le nombre et l’ordre des acides aminés, tandis que les structures secondaires et tertiaires décrivent leur agencement spatial et leur repliement.

• Les structures secondaires ordonnées principales sont les hélices α et les structures β, et elles sont stabilisées par des liaisons hydrogène entre groupes NH et carbonyles, sans interaction électrostatique ou hydrophobe stabilisatrice.

• L’hélice α droite comporte 3,6 résidus par tour, s’allonge de 1,5 Å par résidu et présente un pas de 5,4 Å.

• Les feuillets β antiparallèles ont des chaînes orientées en sens opposés et sont plus stables que les feuillets parallèles, avec 6 liaisons H contre 4 à longueur égale.

• La structure tertiaire est le repliement tridimensionnel d’une protéine globulaire et, pour une protéine donnée, une seule conformation tertiaire permet la fonction biologique.

📌 Les protéines solubles exposent plutôt leurs chaînes hydrophiles et enfouissent leurs chaînes hydrophobes, tandis que les protéines membranaires sont adaptées à la fois aux phases aqueuse et lipidique.

📌 Une protéine oligomérique est un assemblage de sous-unités identiques dans un homopolymère ou différentes dans un hétéropolymère, et sa forme assemblée est fonctionnellement active.

Compléments

📐 Formule - La longueur d’une chaîne peptidique étirée de n acides aminés vaut $n \times 3{,}6\ \text{Å}$.

• Dans l’hélice α droite, les liaisons hydrogène intracaténaires relient les résidus n et n+4, et les chaînes latérales sont orientées vers l’extérieur de l’hélice.

💡 Astuce mémo

La liaison peptidique est plane et rigide, tandis que la rotation autour de Cα reste possible.

📖 8. Énergie libre et thermodynamique cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioénergétique : Ensemble des processus par lesquels les cellules se procurent l’énergie nécessaire à leur travail.

★ À maîtriser

📌 Un système ouvert échange matière et énergie avec son environnement, un système fermé échange seulement de l’énergie et un système isolé n’échange ni matière ni énergie.

• Dans ce cours, la cellule est considérée comme un système fermé qui échange avec son environnement uniquement de l’énergie, sous forme de chaleur ou de travail.

📐 Formule - La variation d’énergie libre d’une réaction est la différence entre l’énergie libre finale et l’énergie libre initiale : $\Delta G = G_{finale} - G_{initiale}$.

• Une variation d’énergie libre négative correspond à une réaction exergonique spontanément réalisable dans les conditions considérées.

• En biochimie, ΔG°’ désigne la variation d’énergie libre standard mesurée à pH 7, à 1 atmosphère, avec des concentrations de réactants de 1 M et à 298 K.

Compléments

• Le travail cellulaire peut être :

  • chimique
  • mécanique
  • osmotique
  • électrique

• À l’équilibre chimique, la variation d’énergie libre ΔG est nulle.

💡 Astuce mémo

ΔG°’ décrit la référence standard biologique ; ΔG décrit les conditions de la réaction.

📖 9. Catabolisme, anabolisme et ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Constitué d’un sucre, d’une base azotée et d’un ou plusieurs phosphates.

★ À maîtriser

📌 Le catabolisme dégrade les molécules et libère de l’énergie, tandis que l’anabolisme consomme de l’énergie pour synthétiser des molécules.

• Le catabolisme dégrade les macromolécules en éléments constitutifs, transforme ces éléments en petites molécules carbonées, puis les engage dans les voies centrales communes avant leur dégradation en CO₂ et en eau.

• Les oxydations cataboliques transfèrent des atomes d’hydrogène des substrats aux coenzymes oxydés NAD⁺ ou NADP⁺, produisant des coenzymes réduits NADH + H⁺ ou NADPH + H⁺.

• Le catabolisme produit de l’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique, et la production mitochondriale d’ATP est beaucoup plus importante que la production cytoplasmique.

• L’anabolisme consomme des coenzymes réduits et de l’ATP, régénérant des coenzymes oxydés et de l’ADP avec libération de phosphate inorganique.

Compléments

• Le NADP⁺ est présent dans le cytosol mais absent de la mitochondrie, et les molécules de NAD⁺ du cytosol et de la matrice mitochondriale ne franchissent pas la membrane mitochondriale interne.

💡 Astuce mémo

Le catabolisme charge l’ATP ; l’anabolisme le consomme.

📖 10. Phosphates et réactions de l’ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Couplage énergétique : Association d’une réaction endergonique à une réaction exergonique, telle que l’hydrolyse de l’ATP, afin que la réaction globale devienne exergonique.

★ À maîtriser

• L’ATP est l’adénosine triphosphate, formée d’adénine liée au ribose et de trois groupements phosphates.

• L’hydrolyse d’une liaison ester-phosphate libère environ −14 kJ/mol, tandis que l’hydrolyse d’une liaison anhydride d’acide libère plus de −30 kJ/mol.

• Dans l’ATP, la liaison du premier phosphate au ribose est une liaison ester, tandis que les deux liaisons entre phosphates sont des liaisons anhydride d’acide.

• La phosphorylation du glucose nécessite +13,8 kJ/mol seule, mais son couplage à l’hydrolyse de l’ATP donne un bilan de −16,7 kJ/mol.

• L’ATP est synthétisé par phosphorylation au niveau du substrat ou par couplage chimio-osmotique mitochondrial associé aux oxydations cellulaires.

Compléments

• Dans les cellules, le rapport de concentration ATP/ADP est voisin de 10, alors qu’à l’équilibre il y a 180 000 fois plus d’ADP que d’ATP.

• L’hydrolyse de l’ATP produit le plus souvent de l’ADP et du phosphate inorganique, et l’hydrolyse ultérieure de l’ADP peut produire de l’AMP et du phosphate inorganique.

• L’ATP peut aussi être hydrolysé en AMP et pyrophosphate, puis le pyrophosphate est transformé par des pyrophosphatases en deux phosphates inorganiques.

• L’ATP peut donner :

  • un phosphate aux kinases
  • un pyrophosphate
  • un AMP
  • un adénosyl

💡 Astuce mémo

Couplage à l’hydrolyse de l’ATP → réaction endergonique rendue exergonique.

📖 11. Nucléotides et voies métaboliques centrales

★ À maîtriser

• Le GTP intervient dans le métabolisme des protides, l’UTP dans celui des glucides et le CTP dans celui des lipides.

• Les potentiels énergétiques standard indiqués sont −9,2 kJ/mol pour le glycérol-3-phosphate, −13,8 kJ/mol pour le glucose-6-phosphate, −20,9 kJ/mol pour le glucose-1-phosphate, −43,0 kJ/mol pour la créatine-phosphate et −61,9 kJ/mol pour le phosphoénolpyruvate.

• L’acétyl-CoA est un transporteur activé de groupements acétyles dont l’hydrolyse libère −31,4 kJ/mol et participe notamment à l’entrée des acétyles dans le cycle de Krebs.

• Les glucides convergent notamment vers le pyruvate, les lipides vers l’acétyl-CoA et les acides aminés vers l’acétyl-CoA, l’α-cétoglutarate, le succinyl-CoA, le fumarate, le pyruvate ou l’oxaloacétate.

Compléments

• Les nucléotides participent également aux contractions musculaires, aux mouvements cellulaires et intracellulaires et au maintien des gradients ioniques membranaires par les pompes ATPases.

• Dans la mitochondrie, l’acétyl-CoA se condense avec l’oxaloacétate pour former du citrate, qui entre ensuite dans les réactions du cycle de Krebs.

📖 12. Métabolisme du glucose

★ À maîtriser

• Le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate, qui peut être stocké sous forme de glycogène ou dégradé par glycolyse en deux molécules de pyruvate.

📌 La glycogénogenèse stocke le glucose sous forme de glycogène, tandis que la glycogénolyse dégrade le glycogène pour restituer du glucose.

• Dans la mitochondrie, la pyruvate déshydrogénase transforme le pyruvate en acétyl-CoA, qui se condense avec l’oxaloacétate et entre dans le cycle de Krebs.

• Le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate, qui peut être stocké sous forme de glycogène par glycogénogenèse ou récupéré à partir du glycogène par glycogénolyse.

• Dans le cytoplasme, la glycolyse dégrade le glucose-6-phosphate et aboutit à la formation de deux molécules de pyruvate à trois carbones.

📌 En conditions anaérobies et lorsque le pyruvate est produit en grande quantité, il peut être transformé temporairement en lactate, tandis qu’en mitochondrie la pyruvate déshydrogénase le décarboxyle et l’active en acétyl-CoA.

• La voie des pentoses phosphates dégrade le glucose dans le cytosol avec perte d’un atome de carbone et produit du ribose-5-phosphate, précurseur des acides nucléiques, ainsi que du NADPH,H+, composé réducteur important pour les synthèses.

Compléments

• Les réserves de glycogène se situent principalement dans le foie et également dans les muscles.

• Les réserves de glycogène se trouvent surtout dans le foie, mais aussi dans les muscles.

• Dans certaines conditions métaboliques, le pyruvate peut quitter la mitochondrie et servir à régénérer du glucose par néoglucogenèse.

• Après un repas riche en glucides, le cycle de Krebs ralentit lorsque les stocks énergétiques cellulaires sont reconstitués, et l’excès d’acétyl-CoA est orienté vers la synthèse et le stockage des acides gras.

💡 Astuce mémo

Glucose → glucose-6-phosphate → pyruvate → acétyl-CoA → cycle de Krebs.

📖 13. Voies centrales du catabolisme

📝 Points essentiels

• L’acétyl-CoA, issu du catabolisme des glucides, des lipides ou des protéines, entre dans les voies centrales en se condensant avec l’oxaloacétate dans la mitochondrie pour former du citrate, puis participe au cycle de Krebs.

💡 Astuce mémo

Nutriments → acétyl-CoA → Krebs

📖 14. Métabolisme des lipides

★ À maîtriser

• Les acides gras sont estérifiés avec le glycérol pour former des triglycérides stockés dans le tissu graisseux, notamment dans les adipocytes.

• À distance des repas, la lipolyse mobilise les réserves et libère des acides gras qui sont utilisés pour produire de l’énergie.

• Les acides gras activés gagnent la mitochondrie, où la bêta-oxydation forme de l’acétyl-CoA qui entre dans le cycle de Krebs pour contribuer à produire de l’énergie.

Compléments

• Dans certaines conditions, l’acétyl-CoA quitte la mitochondrie via le citrate et gagne le cytoplasme, où il sert à synthétiser des acides gras.

💡 Astuce mémo

À distance des repas, les lipides alimentent Krebs ; en excès, l’acétyl-CoA sert à fabriquer des acides gras

📖 15. Métabolisme des protéines

★ À maîtriser

• Les acides aminés issus de l’absorption intestinale et de la dégradation des protéines alimentent un pool circulant utilisé pour la synthèse et le renouvellement des protéines tissulaires.

• La désamination sépare le groupement aminé du squelette carboné de l’acide aminé.

• Lors de l’uréogenèse, le groupement aminé est détoxifié en urée, qui est éliminée par les reins.

📌 Les acides aminés dont le catabolisme converge vers l’oxaloacétate sont dits glucoformateurs, car ils peuvent contribuer à la production de glucose à distance des repas.

Compléments

• Les squelettes carbonés des acides aminés peuvent rejoindre la mitochondrie sous forme de pyruvate, d’acétyl-CoA ou de certains intermédiaires du cycle de Krebs.

• En cas de jeûne prolongé, certains acides aminés peuvent servir de précurseurs aux corps cétoniques au cours de la cétogenèse.

💡 Astuce mémo

Désamination → urée + squelette carboné

📖 16. Rationalisme et relativisme scientifiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Paradigme scientifique : Un paradigme scientifique est, selon Kuhn, une vision du monde qui succède à d’autres et les remplace, avec des normes épistémiques créées par une communauté scientifique et susceptibles d’être abandonnées.

★ À maîtriser

• Le rationalisme considère que la science cherche à atteindre la vérité par la raison et la logique.

• Selon Popper (1933), les scientifiques formulent des hypothèses, en déduisent des conséquences et confrontent leurs expériences aux données empiriques pour vérifier leur raisonnement.

Compléments

• Dans le rationalisme, le discours scientifique porte sur le général, vise une vérité universelle dans le temps et l’espace, et s’appuie de manière autonome sur des connaissances scientifiques antérieures.

• Selon le cours, les théories non réfutées sont considérées comme vraies, et plusieurs théories peuvent expliquer un même phénomène. - Popper, 1933

• Le remplacement du modèle géocentrique de Ptolémée par le modèle héliocentrique de Copernic est présenté comme une révolution scientifique.

💡 Astuce mémo

Rationalisme : raison et vérité ; relativisme : normes d’une communauté

📖 17. Essais cliniques et preuves médicales

🔑 Notions clés & Définitions

• Evidence-Based Medicine : L’Evidence-Based Medicine consiste à utiliser les meilleures preuves issues de la recherche clinique pour soigner.

★ À maîtriser

• Dans un essai clinique randomisé, des patients atteints de la même pathologie et au même stade sont répartis par tirage au sort en double aveugle entre un groupe recevant la molécule testée et un groupe recevant un placebo, puis les effets sont évalués par examens médicaux et analyses statistiques.

• L’essai clinique randomisé est considéré comme le meilleur niveau de preuve et constitue une base des recommandations cliniques et des décisions de santé publique.

Compléments

• Dans les années 1990, des chercheurs américains ont conçu une méthode pédagogique pour aider les praticiens à hiérarchiser les niveaux de preuve des publications biomédicales.

• Dans les années 1990, des associations de patients atteints du sida ont obtenu un droit de sortie des essais en cas de dégradation rapide, ont contesté l’usage du placebo et ont obtenu l’interruption de certains essais lorsque des résultats intermédiaires favorisaient nettement un groupe.

• Les critiques des essais cliniques portent notamment sur l’absence de critères de qualité de vie, le recours à des critères de morbidité et de mortalité, et le fait que les médicaments sont principalement testés sur des hommes.

📖 18. Fonctions organiques monovalentes

🔑 Notions clés & Définitions

• Halogénoalcane : Composé dont le carbone est lié à un halogène.
• Alcool : Composé dans lequel un carbone est lié à un groupe hydroxyle OH.
• Éther : Composé dont un atome d’oxygène est lié à deux carbones.

📝 Points essentiels

📌 Un alcool primaire a son groupe OH lié à un carbone relié à un autre carbone, un alcool secondaire à un carbone relié à deux autres carbones et un alcool tertiaire à un carbone relié à trois autres carbones.

📌 Une amine primaire a son azote lié à un carbone, une amine secondaire à deux carbones et une amine tertiaire à trois carbones.

• Une fonction divalente correspond à un carbone lié à deux hétéroatomes.

• Les fonctions divalentes présentées sont :

  • l’aldéhyde
  • la cétone
  • l’acétal

• Une fonction trivalente correspond à un carbone lié à trois hétéroatomes.

• Les fonctions trivalentes présentées sont :

  • l’acide carboxylique
  • l’ester
  • le nitrile
  • l’amide

• Parmi les trois types de nomenclature mentionnés, le cours retient la nomenclature de l’IUPAC.

• L’application des règles IUPAC consiste à déterminer la fonction principale, choisir la chaîne carbonée, nommer les éléments et numéroter les constituants.

• L’ordre de priorité décroissante est :

  • acide
  • ester
  • amide
  • nitrile
  • aldéhyde
  • cétone
  • alcool
  • amine
  • éther

• Une chaîne sans insaturation conserve la terminaison « ane », une double liaison prend la terminaison « ène » et une triple liaison prend la terminaison « yne ».

• La numérotation d’une chaîne insaturée commence de façon à attribuer le numéro au premier carbone de la double ou de la triple liaison.

• Les substituants sont classés par ordre alphabétique sans tenir compte des préfixes di, tri, tétra ni de tert ou tertio dans tert-butyl, mais en tenant compte du préfixe iso.

• Dans un composé monofonctionnel, la fonction principale est portée par la chaîne qui contient la fonction et le maximum d’insaturations ; dans un composé polyfonctionnel, la chaîne porte la fonction principale, le maximum d’insaturations et le maximum de fonctions secondaires.

📊 Tableaux de synthèse

Rationalisme et relativisme