Fiche de révision : Bioénergie et potentiels rédox

📋 Plan du Cours

1. Organisation et échanges énergétiques du vivant
2. Principes de thermodynamique
3. Énergie libre et couplage réactionnel
4. ATP et transferts énergétiques
5. Réactions rédox et déshydrogénation
6. Piles électrochimiques, énergie libre et potentiels rédox
7. Mesure des potentiels et influence du pH
8. Structure et classification des protéines
9. Acides aminés et stéréochimie
10. Propriétés chimiques des acides aminés
11. Analyse des mélanges d’acides aminés
12. Chromatographie des acides aminés
13. Peptides, séquençage et spectrométrie de masse
14. Structures et dénaturation des protéines
15. Organisation de la kératine
16. Structure et fonction de la myoglobine
17. Régulation de l’affinité de l’hémoglobine
18. Organisation des protéines musculaires et contraction
19. Propriétés générales des enzymes
20. Cofacteurs enzymatiques
21. Cinétique enzymatique
22. Régulation et inhibition enzymatiques

📖 1. Organisation et échanges énergétiques du vivant

★ À maîtriser

• Les organismes se classent selon leur source d’énergie (phototrophes ou chimiotrophes), leur pouvoir réducteur (lithotrophes ou organotrophes) et leur source de carbone (autotrophes ou hétérotrophes).

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

• Le catabolisme décompose des molécules complexes par des réactions exergoniques, tandis que l’anabolisme produit des macromolécules complexes par des réactions endergoniques.

Compléments

• Un organisme vivant présente une organisation chimique et microscopique complexe, utilise l’énergie de son environnement, s’autoréplique et s’autoassemble, répond aux variations de l’environnement, possède des composants aux fonctions définies et peut évoluer.

• Homo sapiens est chimio-organohétérotrophe, les végétaux chlorophylliens sont photolithoautotrophes et les bactéries chimiosynthétiques sont chimio-lithoautotrophes.

• Le catabolisme fournit notamment de l’ATP et des coenzymes réduits comme le NADH et le FADH2, dont l’énergie peut alimenter l’anabolisme, produire un travail ou de la chaleur.

• Les réactions biochimiques du métabolisme sont accélérées par des catalyseurs biologiques appelés enzymes.

📖 2. Principes de thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : L’entropie, notée $S$, régit la spontanéité des réactions et caractérise la tendance d’un système à évoluer vers un état plus désordonné et plus probable.
• Énergie interne : L’énergie interne du système, notée $U$, représente les énergies qui peuvent être échangées dans les réactions biochimiques et constitue une fonction d’état qui dépend de l’état du système.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le premier principe s’écrit $\Delta U = q - w$, où $\Delta U$ est la variation d’énergie interne, $q$ la chaleur échangée avec le système et $w$ le travail effectué par le système.

📌 Tout processus spontané entraîne une augmentation de l’entropie de l’univers : $\Delta S_{\mathrm{système}}+\Delta S_{\mathrm{environnement}}=\Delta S_{\mathrm{univers}}>0$.

Compléments

• L’énergie interne est une fonction d’état des variables d’état température, pression et volume, qui définissent l’état d’équilibre d’un système thermodynamique.

📌 Dans la convention du premier principe $\Delta U=q-w$, la chaleur absorbée par le système est positive et la chaleur libérée est négative.

📌 La convention $\Delta U=Q+W$ compte positivement le travail reçu par le système, tandis que $\Delta U=Q-W$ compte positivement le travail fourni par le système.

📐 Formule - Le travail mécanique lié à une variation de volume à pression $P$ constante s’écrit $w=P\Delta V$.

📐 Formule - À pression constante, la variation d’énergie interne est approximativement égale à la variation d’enthalpie : $\Delta U \approx q_p = \Delta H$.

📌 Une réaction exothermique a une variation d’enthalpie négative, tandis qu’une réaction endothermique a une variation d’enthalpie positive.

• Le haut niveau d’organisation d’une cellule vivante est compatible avec le second principe parce que le système ouvert augmente l’entropie de son environnement.

📐 Formule - Pour les processus spontanés et réversibles, la relation de Clausius est $\Delta S \geq \frac{\Delta q}{T}$.

💡 Astuce mémo

Un système ouvert échange matière et énergie ; un système isolé n’échange ni l’une ni l’autre.

📖 3. Énergie libre et couplage réactionnel

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie libre de Gibbs : M. Gibbs - L’énergie libre de Gibbs, ou enthalpie libre, est une fonction qui permet d’évaluer l’énergie disponible pour fournir du travail à température et pression constantes.

★ À maîtriser

📐 Formule - À température donnée, la variation d’énergie libre de Gibbs est $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$.

📌 Une réaction avec $\Delta G<0$ est spontanée et exergonique, tandis qu’une réaction avec $\Delta G>0$ nécessite un apport d’énergie extérieure et est endergonique.

• Une réaction endergonique peut avoir lieu lorsqu’elle est couplée à une réaction exergonique, car la variation d’énergie libre globale est la somme des variations des réactions couplées.

Compléments

📌 À l’équilibre, le système ne peut plus fournir de travail et $\Delta G=0$.

📐 Formule - Pour une substance $A$, l’énergie libre s’écrit $G_A=G_A^{\circ}+RT\ln[A]$.

• L’état standard biochimique est défini à $pH=7$ et $T=25\,^{\circ}\mathrm{C}$, et ses grandeurs sont notées avec un prime, comme $G'^{\circ}$.

📐 Formule - Pour une réaction réversible $aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$, la variation d’énergie libre est $\Delta G=cG_C+dG_D-aG_A-bG_B$.

📐 Formule - À l’équilibre, la constante d’équilibre et la variation d’énergie libre standard sont reliées par $K_{eq}=e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$.

📌 Selon le principe de Le Chatelier, tout écart à l’équilibre déclenche un processus qui tend à rétablir l’équilibre.

📐 Formule - La variation d’énergie libre standard d’une réaction est la somme des énergies libres standard de formation des produits moins celle des substrats : $\Delta G^{\circ}=\sum\Delta G_f^{\circ}(\mathrm{produits})-\sum\Delta G_f^{\circ}(\mathrm{substrats})$.

📐 Formule - La constante d’équilibre varie avec la température selon $\ln(K_{eq})=-\frac{\Delta H^{\circ}}{RT}+\frac{\Delta S^{\circ}}{R}$.

💡 Astuce mémo

Coupler une réaction exergonique à une réaction endergonique peut rendre le bilan favorable.

📖 4. ATP et transferts énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : L’ATP est un composé phosphorylé qui joue un rôle central dans le transport et les échanges d’énergie des systèmes biologiques.
• Coenzyme A : Le coenzyme A comprend une molécule d’ADP phosphorylée, une molécule d’acide pantothénique, qui est la vitamine B5, et une molécule de β-mercapto-éthylamine.

★ À maîtriser

• L’hydrolyse de l’ATP en milieu aqueux libère de l’énergie qui peut être utilisée, par couplage, pour réaliser une réaction endergonique non spontanée.

📐 Formule - L’hydrolyse $ATP\rightarrow ADP+P_i$ est irréversible dans les conditions présentées et possède $\Delta G^{\circ'}=-30{,}5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

Compléments

• Dans l’ATP, le carbone 5 du ribose est lié au premier des trois groupements phosphate par une liaison phosphoester, les phosphates étant reliés entre eux par des liaisons phosphoanhydride, et l’ATP peut transférer un phosphate à l’eau.

📌 L’ATP est stable malgré l’exergonicité de son hydrolyse parce que l’énergie d’activation de cette hydrolyse est élevée, et sa dégradation rapide nécessite une catalyse.

• Les produits de l’hydrolyse de l’ATP sont plus stables que l’ATP, notamment parce que le phosphate libéré est stabilisé par résonance.

• Le phosphoénolpyruvate possède une variation d’énergie libre d’hydrolyse d’environ $-60\ \mathrm{kJ/mol}$, contre $-9\ \mathrm{kJ/mol}$ pour le glycérol-3-phosphate.

• L’ATP et l’ADP peuvent être donneurs ou accepteurs de groupements phosphate, et le phosphoénolpyruvate peut phosphoryler l’ADP au cours de la glycolyse.

• La créatine phosphate et l’arginine phosphate constituent des réserves énergétiques dans les muscles des vertébrés, mobilisées lorsque l’ATP musculaire est consommé.

• Chez les eucaryotes, l’ATP est régénéré notamment par la photosynthèse et les oxydations phosphorylantes mitochondriales.

📐 Formule - La charge énergétique cellulaire est $CE=\frac{[ATP]+0{,}5[ADP]}{[ATP]+[ADP]+[AMP]}$, et une cellule au repos a une charge voisine de $0{,}9$.

• Le groupement thiol terminal du coenzyme A porte le groupement acyle par une liaison thioester, dont le transfert est exergonique à hauteur de $-31\ \mathrm{kJ/mol}$.

• Un adulte consomme environ 40 kg d’ATP par 24 heures, et cette consommation peut atteindre 500 g par minute lors d’un effort intense.

• Dans une bactérie à 3 °C, les concentrations données sont $[ATP]=8\ \mathrm{mM}$, $[ADP]=1\ \mathrm{mM}$ et $[P_i]=8\ \mathrm{mM}$, pour une hydrolyse de l’ATP dont la variation d’énergie libre est estimée à environ $-49\ \mathrm{kJ/mol}$.

• La variation d’énergie libre d’hydrolyse de l’ATP dépend du pH et diminue en présence d’ions $Mg^{2+}$.

💡 Astuce mémo

L’ATP, navette de phosphate entre réactions qui libèrent et réactions qui consomment de l’énergie.

📖 5. Réactions rédox et déshydrogénation

🔑 Notions clés & Définitions

• Couple rédox : Un couple rédox est constitué des formes oxydée et réduite d’une molécule, reliées par une demi-réaction de transfert d’électrons.

★ À maîtriser

📌 Dans une réaction rédox, le réducteur donne des électrons et l’oxydant les accepte.

Compléments

📐 Formule - Un couple rédox s’écrit $A_{ox}+ne^-\rightleftharpoons A_{red}$.

• Les ions ferriques oxydent les ions cuivreux selon $Fe^{3+}+Cu^+\rightleftharpoons Fe^{2+}+Cu^{2+}$.

• Dans les systèmes biologiques, des protéines ou pigments portant des groupements prosthétiques contenant notamment du fer ou du cuivre peuvent échanger des électrons dans des réactions rédox.

• Dans l’ordre croissant d’électronégativité présenté, les éléments se classent ainsi : $H<C<N<O$.

📌 Les composés carbonés plus réduits, comme les lipides par rapport aux sucres, sont plus riches en énergie, tandis que les composés plus oxydés sont plus riches en oxygène.

📐 Formule - Dans une déshydrogénation, le couple rédox peut s’écrire $AH_2\rightleftharpoons A+2e^-+2H^+$.

• Dans les réactions biologiques, une oxydation correspond souvent à une déshydrogénation catalysée par une déshydrogénase.

• Les transferts biologiques d’électrons peuvent impliquer l’ion hydrure $H^-$, comme dans le coenzyme NAD, ou l’oxydation d’un composé hydrocarboné en alcool selon $R-CH_3+\frac{1}{2}O_2\rightleftharpoons R-CH_2-OH$.

📖 6. Piles électrochimiques, énergie libre et potentiels rédox

🔑 Notions clés & Définitions

• Pile électrochimique : Une pile électrochimique sépare les deux demi-réactions rédox dans deux compartiments reliés par un circuit conducteur et des électrodes inertes.

★ À maîtriser

📌 Dans une pile, l’anode est le siège de l’oxydation et porte le signe négatif, tandis que la cathode est le siège de la réduction et porte le signe positif.

📐 Formule - La variation d’énergie libre est reliée au potentiel électrochimique par $\Delta G=-nF\Delta E$ et, dans les conditions standard, par $\Delta G^\circ=-nF\Delta E^\circ$.

📌 Lorsque ΔE est positif, ΔG est négatif et la réaction est spontanée dans le sens considéré.

📐 Formule - Pour la réaction $A_{ox}+B_{red}\rightleftharpoons A_{red}+B_{ox}$, si A est l’accepteur d’électrons, $\Delta E=E_A-E_B$ et $\Delta E^\circ=E_A^\circ-E_B^\circ$.

📌 Par convention, la demi-pile qui accepte les électrons possède le potentiel de réduction le plus élevé.

Compléments

• Dans une pile électrochimique, un pont salin maintient l’électroneutralité des deux solutions.

• Le passage d’électrons entre les demi-piles crée une différence de potentiel mesurable.

📐 Formule - Pour la réaction $A_{ox}+B_{red}\rightleftharpoons B_{ox}+A_{red}$, la variation d’énergie libre dépend du quotient réactionnel selon $\Delta G=\Delta G^{\circ}+RT\ln\frac{[A_{red}][B_{ox}]}{[A_{ox}][B_{red}]}$.

📐 Formule - Dans le bilan thermodynamique présenté pour une pile, le travail électrique est relié au potentiel par $w_{el}=nF\Delta E$ et $\Delta G=-w_{el}$.

• Selon la convention du cours, ΔE est positif dans le sens de l’oxydation et représente la différence de potentiel mesurée aux bornes de la pile électrochimique.

📐 Formule - Pour une demi-réaction écrite $X_{ox}+ne^-\rightleftharpoons X_{red}$, le potentiel vérifie $E=E^\circ+\frac{RT}{nF}\ln\left(\frac{[X_{ox}]}{[X_{red}]}\right)$.

• Les électrons circulent spontanément des couples rédox aux potentiels les plus négatifs vers ceux aux potentiels les plus positifs.

💡 Astuce mémo

Anode : oxydation ; cathode : réduction.

📖 7. Mesure des potentiels et influence du pH

★ À maîtriser

• Le potentiel standard d’un couple se mesure par comparaison avec l’électrode normale à hydrogène, dont le couple est $2H^++2e^-\rightleftharpoons H_2(g)$ et dont le potentiel est fixé à 0 V.

📌 Lorsque [Ared] = [Aox], le potentiel mesuré est égal à E°A, appelé potentiel de demi-réduction.

• De nombreuses réactions biologiques associent un transfert de protons à un transfert d’électrons.

📐 Formule - Pour la demi-réaction $A_{ox}+mH^++ne^-\rightleftharpoons A_{red}$, l’équation de Nernst s’écrit $\Delta E=E_A^\circ-\frac{RT}{nF}\ln\left(\frac{[A_{red}]}{[A_{ox}][H^+]^m}\right)$.

📐 Formule - Lorsque [Ared] = [Aox], le potentiel standard apparent est $E_A^{\prime\circ}=E_A^\circ-\frac{2{,}3RT}{nF}mpH$.

Compléments

📐 Formule - Pour un couple Aox/Ared mesuré par rapport à l’électrode normale à hydrogène, $\Delta E=E_A=E_A^\circ-\frac{RT}{nF}\ln\left(\frac{[A_{red}]}{[A_{ox}]}\right)$ lorsque les activités de H⁺ et H₂ sont prises égales à 1.

• Le potentiel standard peut être déterminé en réduisant totalement l’espèce puis en la titrant avec un oxydant puissant, par exemple K₃Fe(CN)₆ de potentiel standard 0,36 V; le point de demi-équivalence donne E°A.

• Le tracé de ΔE en fonction de $\ln\left(\frac{x}{1-x}\right)$ donne une droite dont la pente vaut RT/nF et dont l’ordonnée à l’origine vaut E°.

📌 Le titrage d’un système rédox doit être réalisé en milieu tamponné lorsque son potentiel dépend du pH.

• Pour le couple H⁺/H₂ à pH 7, le cours donne un potentiel apparent de −0,420 V, à partir d’environ −0,060 V par unité de pH.

💡 Astuce mémo

Réduire totalement, titrer, lire E° à demi-équivalence

📖 8. Structure et classification des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine : Macromolécules constituées d’un ou plusieurs polypeptides naturels ayant une structure tridimensionnelle définie; leur hydrolyse libère des acides aminés.

★ À maîtriser

• Les niveaux de structure des protéines sont :
  • Structure primaire : séquence d’acides aminés.
  • Structure secondaire : hélices ou feuillets.
  • Structure tertiaire : conformation tridimensionnelle d’une chaîne.
  • Structure quaternaire : association de plusieurs polypeptides.

Compléments

• La masse moléculaire des protéines peut aller de 500 000 à plusieurs millions de Da, tandis que la majorité se situe entre 20 000 et 100 000 Da.

• Les protéines représentent environ 20 % d’une biomasse et peuvent atteindre 60 % de la masse sèche; elles représentent aussi au moins 60 % de la masse sèche d’une cellule.

• Les principales fonctions des protéines comprennent :

  • Catalyse enzymatique.
  • Transport et stockage.
  • Mobilité.
  • Support mécanique.
  • Réponse immunitaire et communication cellulaire.
  • Transmission de l’influx nerveux.

• Une cellule contient entre 2 000 et 3 000 protéines.

📖 9. Acides aminés et stéréochimie

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé protéinogène : Possède une fonction carboxylique libre et une fonction amine primaire non substituée; les acides aminés se distinguent par leur radical R.

★ À maîtriser

• Les protéines sont constituées de 20 acides aminés protéinogènes, et le carbone portant les fonctions amine et carboxylique est le carbone α, ou C2.

📌 La configuration D ou L d’un acide aminé est déterminée par le carbone α dans la convention de Fischer, tandis que la notation R ou S décrit la configuration absolue selon les priorités des substituants.

Compléments

• Les acides aminés apolaires tendent à se rapprocher en milieu aqueux, ce qui contribue au repliement des protéines.

• Les acides aminés aromatiques absorbent dans l’UV à 280 nm et peuvent servir à détecter les protéines, mais la mesure est peu adaptée à leur quantification car chaque protéine possède son propre coefficient d’extinction molaire.

• La cystéine peut former des ponts disulfure par oxydation de deux fonctions thiol, contribuant à la structure tertiaire des protéines.

• À pH 7, l’aspartate et le glutamate sont chargés négativement, tandis que la lysine et l’arginine sont chargées positivement; l’histidine possède un pKR proche de 7.

📌 Les acides aminés métaboliques, tels que l’ornithine et la citrulline, ne font pas partie des 20 acides aminés constitutifs des protéines; des acides aminés peuvent aussi être modifiés après traduction, comme l’hydroxyproline et l’hydroxylysine.

• Tous les acides aminés naturels des protéines appartiennent à la série L selon la convention de Fischer.

• La glycine est le seul acide aminé protéinogène qui ne dévie pas la lumière polarisée plane, car elle ne possède pas de centre chiral.

• La proline possède une chaîne latérale cyclique et une amine secondaire qui confèrent de la rigidité aux protéines qui en contiennent.

📖 10. Propriétés chimiques des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Ampholyte : Possède des caractères acide et basique.

★ À maîtriser

📐 Formule - La relation de Henderson-Hasselbalch s’écrit $pH=pK_a+\log\left(\frac{[A^-]}{[AH]}\right)$.

📌 Au-dessous du point isoélectrique, un acide aminé porte une charge globale positive; au-dessus, il porte une charge globale négative.

Compléments

📌 Pour un acide aminé sans chaîne latérale ionisable, le point isoélectrique est la moyenne des deux pKa qui encadrent sa forme de charge globale nulle.

• Les fonctions carboxyliques des acides aminés peuvent former des sels et subir une décarboxylation qui libère du CO₂ et produit une amine biogène lorsqu’elle est biologique.

• La réaction de la ninhydrine avec un acide aminé produit le pourpre de Ruhemann, qui absorbe à 570 nm et permet le dosage des acides aminés.

📐 Formule - Deux fonctions thiol de cystéine peuvent s’oxyder selon $2R-SH\rightleftharpoons R-S-S-R+2H^++2e^-$ pour former un pont disulfure.

• Le mercaptoéthanol est un réducteur puissant, le dithiothréitol est un réducteur plus puissant utilisé pour protéger les protéines, et le glutathion protège les fonctions thiol et agit comme antioxydant cellulaire.

• L’acide performique peut rompre définitivement les ponts disulfure en formant des sulfonates, tandis que l’iodoacétate bloque les fonctions thiol des cystéines.

📖 11. Analyse des mélanges d’acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient de distribution : Rapport de la masse de soluté dans la phase stationnaire à celle dans la phase mobile, pour une même unité de volume.

★ À maîtriser

• En chromatographie échangeuse d’ions, les acides aminés sont séparés dans une colonne par leur interaction avec une phase stationnaire chargée, puis élués par un gradient de NaCl ou de pH.

📌 Une résine échangeuse de cations est chargée négativement, tandis qu’une résine échangeuse d’anions est chargée positivement.

Compléments

• L’électrophorèse de zone sépare les acides aminés selon leur migration différentielle dans un champ électrique sur un support imbibé de tampon.

• La mobilité apparente en électrophorèse capillaire est la somme de la mobilité électrophorétique et de la mobilité électroosmotique.

• En chromatographie, le temps mort t₀ est le temps d’élution d’une espèce qui n’est pas retenue par la phase stationnaire.

• En chromatographie planaire, la phase mobile progresse par capillarité sur un support perméable et sépare les acides aminés selon leur affinité pour les phases mobile et stationnaire.

• En électrophorèse capillaire, le capillaire mesure généralement 0,1 à 1 m de long et 50 à 100 µm de diamètre, et la différence de potentiel appliquée peut atteindre 30 000 V.

📖 12. Chromatographie des acides aminés

★ À maîtriser

📐 Formule - En chromatographie sur couche mince, le facteur de retardement vérifie $Rf = \frac{\text{distance parcourue par le soluté}}{\text{distance parcourue par le solvant}}$.

• En chromatographie en phase inverse, une phase mobile polaire agit avec une phase stationnaire apolaire constituée le plus souvent de silice greffée de chaînes hydrophobes, comme C8 ou C18.

• En chromatographie en phase inverse, on augmente progressivement l’apolarité de la phase mobile par un gradient, ce qui ralentit les acides aminés hydrophobes et entraîne les hydrophiles.

Compléments

• En phase inverse, l’élution des acides aminés apolaires augmente lorsque l’apolarité de la phase mobile augmente, notamment avec un mélange d’eau, d’acétonitrile et d’éthanol.

• Pour détecter les acides aminés en chromatographie ou en électrophorèse capillaire, on les dérivatise en les couplant à un chromophore à la sortie de la colonne.

📖 13. Peptides, séquençage et spectrométrie de masse

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison covalente formée par condensation entre la fonction amine portée par le carbone alpha d’un acide aminé et la fonction carboxylique d’un autre, avec élimination d’eau.
• Spectrométrie de masse : Mesure précisément le rapport masse/charge des ions en phase gazeuse.
• Protéome : Ensemble des protéines produites par un organisme à un instant donné dans un environnement donné.

★ À maîtriser

📌 L’acide aminé qui conserve sa fonction amine libre est à l’extrémité N-terminale, tandis que celui qui conserve sa fonction carboxylique libre est à l’extrémité C-terminale; la séquence se numérote de N vers C.

• Le séquençage d’une protéine comprend la détermination du nombre de chaînes polypeptidiques, la coupure des ponts disulfures, la détermination de la composition en acides aminés, la fragmentation des chaînes, le séquençage des fragments par dégradation d’Edman, leur recouvrement et le positionnement des ponts disulfures.

• En ESI, une solution de peptides est pulvérisée par un capillaire soumis à environ 4 000 V, les gouttelettes sont séchées par un flux d’azote chaud et les ions formés portent plusieurs charges, principalement dues à la protonation des chaînes latérales basiques.

• En MS-MS, un premier spectromètre sélectionne des ions peptidiques, qui traversent ensuite une cellule de collision contenant de l’hélium où ils se fragmentent avant d’être analysés par un second spectromètre.

Compléments

• La charge globale d’un peptide dépend majoritairement de ses chaînes latérales; elle est négative au-dessus de son point isoélectrique et positive en dessous.

• La dégradation d’Edman utilise le phénylisothiocyanate (PITC) pour marquer l’extrémité N-terminale; le résidu libéré est identifié par HPLC et le peptide raccourci peut subir un nouveau cycle.

• La dégradation d’Edman a un rendement de 95 % par cycle, soit environ 60 % après 10 cycles et 30 % après 20 cycles, ce qui limite le séquençage à une quinzaine d’acides aminés environ.

• L’hydrolyse acide suivie d’une analyse par HPLC en phase inverse ou électrophorèse capillaire permet d’obtenir un aminogramme, mais dégrade la sérine, la thréonine, la tyrosine et le tryptophane.

• En ESI, la masse d’un peptide peut être déterminée à partir de deux pics voisins correspondant à des ions portant un nombre de charges différent.

• La technique MALDI permet d’analyser des peptides pouvant atteindre 400 kDa en les associant à une matrice d’acide dihydroxybenzoïque irradiée par un laser.

• L’hydrolyse acide convertit la glutamine et l’asparagine en acide glutamique et acide aspartique, respectivement, avec libération de NH3.

• En FAB, le mélange de polypeptides et d’un solvant peu volatil, souvent du glycérol, est bombardé par des atomes d’argon ou de xénon, ce qui éjecte des peptides chargés positivement, mais la méthode est limitée aux molécules de moins de 7 000 Da.

💡 Astuce mémo

N-ter → coupures → fragments → recouvrement → ponts disulfures

📖 14. Structures et dénaturation des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Dénaturation : Perte des structures secondaire, tertiaire et quaternaire d’une protéine sans hydrolyse de ses liaisons peptidiques.

★ À maîtriser

• Les protéines présentent quatre niveaux de structure :

  • Structure primaire : séquence des acides aminés
  • Structure secondaire : arrangement local du squelette polypeptidique
  • Structure tertiaire : repliement tridimensionnel de la protéine
  • Structure quaternaire : association de plusieurs chaînes polypeptidiques

• Les hélices et les feuillets β sont les deux grands types de structure secondaire des protéines.

• L’hélice α, formée à partir de L-acides aminés, comporte 3,6 résidus par tour et un pas de 5,5 Å; des liaisons hydrogène entre le CO d’un résidu et le NH situé quatre résidus plus loin la stabilisent.

• La dénaturation peut entraîner :

  • Une baisse de solubilité
  • Une altération de la capacité à fixer l’eau
  • Une perte d’activité biologique
  • Une sensibilité accrue aux protéases
  • Une augmentation de viscosité
  • Une inaptitude à la cristallisation
  • Une modification des propriétés fonctionnelles

Compléments

• La majorité des protéines n’ont pas de structure quaternaire, alors que toutes les protéines possèdent une structure tertiaire.

• La structure plane et rigide de la liaison peptidique résulte de sa résonance et de son caractère partiel de double liaison.

• Les feuillets β parallèles ou antiparallèles sont stabilisés par des liaisons hydrogène entre les groupements CO et NH de brins adjacents, et la configuration antiparallèle est plus stable.

• La structure tertiaire est stabilisée par :

  • Des liaisons covalentes
  • Des liaisons hydrogène
  • Des interactions ioniques
  • Des interactions hydrophobes
  • Des forces de Van der Waals

• Les ponts disulfures rapprochent des régions éloignées de la structure primaire, et leur réduction libère des thiols sensibles à l’oxydation.

• La chaleur rompt des interactions faibles et peut provoquer l’association de zones hydrophobes, ce qui diminue la solubilité des protéines.

• Le glycérol protège du froid les protéines ayant un rapport acides aminés hydrophobes/acides aminés hydrophiles élevé, car il possède un point de congélation très bas.

• Les agents chimiques dénaturants comprennent :

  • Les acides et les bases
  • Les métaux, par la perte des ions associés
  • Les solvants organiques
  • Les tensio-actifs
  • Les réactifs thiols, qui oxydent ou réduisent les ponts disulfures

• La dénaturation est généralement irréversible, mais certaines protéines peuvent être dénaturées puis renaturées après traitement par l’urée ou des sels de guanidine à forte molarité.

💡 Astuce mémo

La chaleur rompt des interactions faibles → les zones hydrophobes s’associent et la solubilité baisse

📖 15. Organisation de la kératine

🔑 Notions clés & Définitions

• Kératine : Protéine inerte présente chez les vertébrés et constitutive notamment des poils, des cheveux, des cornes et des sabots.

★ À maîtriser

📌 La kératine α se trouve chez les mammifères et comprend un type I à caractère acide et un type II à caractère basique, tandis que la kératine β se trouve chez les oiseaux et les reptiles.

• 🔄 L’organisation de la kératine α progresse ainsi :
  1. Les spires enroulées s’associent en protofilaments
  2. Deux protofilaments forment une protofibrille
  3. Quatre protofibrilles forment une microfibrille

Compléments

• La kératine α est formée de deux types d’hélices α qui s’enroulent l’une autour de l’autre en une spire enroulée à pas gauche.

• Dans la kératine α, les ponts disulfures intra- et interchaînes formés par les cystéines renforcent et stabilisent la rigidité des microfibrilles.

💡 Astuce mémo

Hélices → spires enroulées → protofilaments → protofibrilles → microfibrilles

📖 16. Structure et fonction de la myoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Myoglobine : Protéine monomérique qui stocke l’oxygène et en favorise la diffusion dans les tissus utilisateurs, notamment les muscles.

★ À maîtriser

📌 La myoglobine est monomérique et stocke l’oxygène dans les tissus, tandis que l’hémoglobine possède quatre sous-unités identiques deux à deux et transporte l’oxygène des alvéoles pulmonaires vers les organes.

• En présence d’O₂, la désoxymyoglobine T se transforme en oxymyoglobine R : le fer revient dans le plan du noyau tétrapyrrole et la globine change de conformation.

• La courbe de saturation de la myoglobine est hyperbolique et traduit l’association de la myoglobine avec l’O₂.

📌 La courbe de saturation de l’hémoglobine est sigmoïde, contrairement à la courbe hyperbolique de la myoglobine, car l’hémoglobine présente des interactions coopératives entre ses sous-unités.

• Dans l’hémoglobine, le déplacement du fer dans le plan de l’hème modifie la conformation de la globine, et ce changement se propage aux autres chaînes, augmentant leur affinité pour l’O₂.

Compléments

• La myoglobine a une affinité pour l’oxygène supérieure à celle de l’hémoglobine, ce qui lui permet de récupérer l’oxygène lié à l’hémoglobine.

• La myoglobine comprend une globine de 153 acides aminés associée à un groupement non protéique, l’hème.

• L’hème est constitué d’un noyau tétrapyrrole associé à un atome de fer lié à quatre azotes du noyau.

• Dans l’hème, le fer peut établir deux liaisons supplémentaires, l’une avec le noyau imidazole d’une histidine et l’autre avec une molécule d’oxygène.

• Seul le fer ferreux $\mathrm{Fe^{2+}}$ peut fixer l’oxygène, et la globine contribue à protéger le fer de l’oxydation.

• La p50 correspond à la quantité d’O₂ permettant la fixation de l’O₂ par 50 % de la myoglobine présente.

• L’hémoglobine est un tétramère formé de deux chaînes alpha et de deux chaînes bêta, maintenues ensemble par des liaisons faibles et sans pont disulfure.

💡 Astuce mémo

T tendue sans O₂, R relâchée avec O₂

📖 17. Régulation de l’affinité de l’hémoglobine

★ À maîtriser

• Dans les alvéoles pulmonaires, où la pO₂ est élevée, l’hémoglobine se sature en O₂ ; dans les tissus consommateurs, où la pO₂ est faible, elle relargue l’O₂, qui peut être capté par la myoglobine, plus affine.

• Une baisse du pH favorise la transition de l’hémoglobine de l’état R vers l’état T et facilite ainsi la libération de l’O₂.

• Le 2,3-bisphosphoglycérate (BPG), formé au cours de la glycolyse, se lie à la cavité de l’hémoglobine dans les globules rouges et diminue son affinité pour l’O₂, surtout celle de la désoxyhémoglobine.

Compléments

• Dans les tissus consommateurs, le CO₂ produit par la respiration réagit avec l’eau pour former du bicarbonate et libérer des protons ; cette réaction spontanée est aussi catalysée par l’anhydrase carbonique.

📐 Formule - Le CO₂ se combine réversiblement au groupement amine N-terminal des protéines sanguines selon $\mathrm{CO_2 + R{-}NH_2 \rightleftharpoons H^+ + R{-}NH{-}COO^-}$.

• Lors de l’adaptation à l’altitude, l’augmentation du BPG dans les hématies contribue à l’élévation de la p50 de l’hémoglobine et une amélioration respiratoire peut être ressentie dès les premiers jours.

📌 L’hémoglobine fœtale a une affinité pour l’O₂ supérieure à celle de l’hémoglobine maternelle ; le BPG se lie aux deux, mais avec une affinité plus élevée pour l’hémoglobine maternelle.

💡 Astuce mémo

pH bas et BPG → affinité diminuée → libération d’O₂

📖 18. Organisation des protéines musculaires et contraction

🔑 Notions clés & Définitions

• Sarcomère : L’entité fonctionnelle de la myofibrille, constituée d’une bande A et de deux demi-bandes I.

★ À maîtriser

• La myosine, de masse molaire 540 kDa, comprend deux chaînes lourdes de 220 kDa et quatre chaînes légères de 20 kDa.

• L’actine G est une protéine globulaire de 42 kDa qui se polymérise en filaments fins d’actine F.

• Une impulsion nerveuse déclenche un potentiel d’action dans la fibre musculaire, ouvre les canaux calciques du réticulum sarcoplasmique et augmente d’un facteur 100 la concentration de Ca²⁺ dans le sarcoplasme.

• Le Ca²⁺ se lie à la troponine et provoque un changement conformationnel qui se transmet à la tropomyosine, démasquant sur l’actine F les sites de fixation de la myosine.

• La fixation de l’ATP sur la tête de myosine rompt la liaison actine-myosine.

• L’hydrolyse de l’ATP en ADP et phosphate inorganique fournit l’énergie qui déplace la tête de myosine.

Compléments

• Les chaînes lourdes de myosine forment une superhélice fibreuse par leurs hélices C-terminales et portent des têtes globulaires N-terminales à activité ATPasique.

• Les molécules de myosine s’agrègent en filaments épais, dont les régions fibreuses se regroupent et dont les têtes globulaires se trouvent aux extrémités.

• Les filaments fins d’actine contiennent aussi de la tropomyosine et des troponines.

• La tête de myosine se lie faiblement à l’actine, puis la libération du phosphate inorganique renforce la liaison actine-myosine.

• Après la libération du phosphate, le retour de la tête de myosine à sa conformation initiale déplace le filament fin ; la libération de l’ADP laisse ensuite la myosine fortement liée à l’actine jusqu’à l’arrivée d’un nouvel ATP.

• Chaque fibre musculaire est une cellule plurinucléée contenant environ 1000 myofibrilles, et toutes les myofibrilles sont entourées par le réticulum sarcoplasmique.

💡 Astuce mémo

ATP détache, hydrolyse arme, Pi renforce, ADP libère

📖 19. Propriétés générales des enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Un catalyseur protéique qui permet à des réactions biochimiques de se produire dans les conditions physiologiques.

★ À maîtriser

• Les enzymes augmentent la vitesse des réactions d’un facteur compris entre 10³ et 10⁶ sans modifier leur équilibre.

📌 L’apoenzyme est la partie protéique d’un complexe enzymatique, tandis que l’holoenzyme comprend l’apoenzyme et son cofacteur éventuel.

Compléments

📌 Un coenzyme est un cosubstrat non protéique qui interagit avec l’enzyme, tandis qu’un groupement prosthétique non protéique est lié de façon covalente à l’enzyme et participe à la catalyse.

• Un cofacteur métallique est un ion métallique intégré à l’enzyme qui participe aux processus réactionnels.

• La composition du site actif et la nature chimique de son cofacteur éventuel déterminent la spécificité de la réaction et du substrat.

📌 Les isoenzymes ont des séquences en acides aminés différentes, mais catalysent des réactions identiques.

💡 Astuce mémo

Apoenzyme protéique seule, holoenzyme avec cofacteur

📖 20. Cofacteurs enzymatiques

★ À maîtriser

• Le NAD et le NADP sont des coenzymes transporteurs d’électrons d’origine commune ; le NADP se distingue du NAD par un groupement phosphate sur le C2 du ribose portant l’adénine.

• Le NAD transporte deux électrons en portant un ion hydrure sur le noyau nicotinamide et sert de coenzyme aux déshydrogénases.

• La thiamine pyrophosphate (TPP), issue de la vitamine B1, est un coenzyme de transfert de groupements chimiques qui intervient notamment dans le transfert d’un groupement aldéhyde.

Compléments

• Le NAD et le NADP dérivent du nicotinamide ou de l’acide nicotinique, qui correspond à la vitamine B3 apportée par l’alimentation.

• Le NADH absorbe à 350 nm, contrairement au NAD, ce qui permet de suivre l’activité des déshydrogénases par spectrophotométrie.

📌 Les coenzymes NAD sont souvent utilisés dans des processus cataboliques, tandis que les coenzymes NADP sont davantage utilisés dans des processus anaboliques.

• Dans la réaction impliquant le pyruvate et la TPP, le C2 du noyau thiazole réagit avec le carbone 2 du pyruvate, favorise la libération du CO₂, puis le noyau thiazole retrouve sa forme initiale par protonation et libération d’un acétyl-CoA.

📖 21. Cinétique enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse de réaction : La vitesse d’une réaction correspond à la variation de la concentration d’un constituant en fonction du temps.
• Vitesse initiale : La vitesse mesurée au début de la réaction, lorsque la concentration en substrat varie peu et que la formation de produit et la réaction inverse restent négligeables.

• Constante de Michaelis : La concentration en substrat qui donne une vitesse initiale égale à la moitié de Vmax.

★ À maîtriser

• La courbe de vitesse initiale en fonction de la concentration en substrat est une hyperbole de saturation qui atteint une vitesse maximale lorsque l’enzyme est saturée.

• Le modèle de Michaelis-Menten décrit la formation d’un complexe enzyme-substrat, puis sa résolution en enzyme et produit, l’enzyme étant recyclée.

Compléments

📐 Formule - La vitesse de réaction s’écrit $v = \frac{d[X]}{dt}$.

• À vitesse initiale, la concentration en substrat est très supérieure à celle de l’enzyme.

• Km est la constante de dissociation apparente du complexe enzyme-substrat et n’est égale à Ks que lorsque k₂ est faible devant k₁ et k₋₁.

• Km se situe entre 10⁻² et 10⁻⁶ M, et une enzyme possède une valeur de Km par substrat.

• Le rapport kcat/Km mesure l’efficacité d’une enzyme et une valeur élevée correspond à une enzyme efficace ; sa limite supérieure indiquée est de 10⁹ M⁻¹·s⁻¹.

• Une unité internationale (UI) est la quantité d’enzyme qui transforme une micromole de substrat par minute dans des conditions déterminées, et 1 UI équivaut à 16,6 nanokatals.

• Un katal correspond à la quantité d’enzyme qui transforme une mole de substrat par seconde.

📖 22. Régulation et inhibition enzymatiques

★ À maîtriser

📌 Dans un mécanisme Bi-Bi séquentiel, tous les substrats se fixent à l’enzyme avant la libération des produits, tandis que dans un mécanisme Ping-Pong, un premier produit est libéré avant la fixation du second substrat.

• Les inhibiteurs irréversibles condamnent définitivement l’enzyme en établissant des liaisons covalentes avec elle.

📌 Un inhibiteur compétitif concurrence le substrat pour le site actif, tandis qu’un inhibiteur incompétitif se fixe uniquement au complexe enzyme-substrat.

📌 Un inhibiteur mixte peut se fixer à l’enzyme libre et au complexe enzyme-substrat, tandis qu’un inhibiteur non compétitif est le cas particulier où Ki = Ki′ et se fixe sur un site distinct de celui du substrat.

• Les protéines allostériques sont des oligomères dont les sous-unités interagissent, portent un ou plusieurs ligands et peuvent adopter plusieurs états conformationnels en équilibre.

Compléments

📌 Un mécanisme Bi-Bi séquentiel peut être aléatoire, si l’ordre de fixation des substrats est libre, ou ordonné, si la fixation d’un substrat dépend de celle d’un autre.

• Le pH peut modifier l’ionisation du substrat et des acides aminés du site actif, ce qui peut changer Km et Vmax.

📌 Un effet homotrope est produit par le substrat, tandis qu’un effet hétérotrope est produit par un effecteur différent du substrat.

📌 Dans le modèle concerté, le changement conformationnel concerne simultanément l’ensemble des sites, tandis que dans le modèle séquentiel, il se produit progressivement.

• Le coefficient de Hill mesure le degré de coopérativité et ne correspond pas au nombre de sites de fixation.

📐 Formule - La représentation de Hill trace $\log\left(\frac{V}{V_m-V}\right)$ en fonction de $\log[S]$, et sa pente donne le coefficient de Hill.