L3 Informatique, Option Bioinformatique, 2015

Elements de biochimie et debiologie moleculaireSamuel Blanquart, charge de recherche Inria

Equipe Bonsaihttp ://www.lifl.fr/bonsai/

http ://bioinfo.lifl.fr/

Les atomes, La classification periodique de Mendeleiev

Les atomes, Abondances relatives des atomes sur la Terre

Le vivant utilise principalement :

▸ Les atomes les plus abondants : H, C , O, N,

▸ Les ions metalliques K+, Ca2+, Mg2+, Na+, Fe2+,

▸ Des non metaux : P, S , Cl−.

Les atomes, Orbitales atomiques et valence des atomes

Une paire d’electron ou “paire de Lewis” occupe une “orbitaleatomique”. Un electron seul est dit libre, et il peut :

▸ Etre perdu par l’atome, par exemple dans l’ion Na+

▸ Etre capte par un atome, par exemple l’ion Cl−

▸ Former une liaison dite covalente avec un autre electron libre restelie a un autre atome. La paire formee par les deux electrons librescree une liaison chimique covalente entre les deux atomes.

Quelques molecules organiques et inorganiques simples▸ Deux atomes d’hydrogene ayant chacun 1 valence forment une

molecule de dihydrogene H2 : H + H → H −H.

▸ Deux atomes d’oxygene ayant chacun 2 valences forment unemolecule de dioxygene O2 : O + O → O = O.

▸ Deux atomes d’azote ayant chacun 3 valences forment une moleculede diazote N2 :

...N +

...N → N ≡ N.

Un atome de carbone possede 4 valences (....C ), et peut se lier a :

▸ 4 autres atomes, disposes aux sommets d’un tetraedre dont C est lecentre.

▸ 3 autres atomes (dont un est lie a C par une double liaisoncovalente), disposes dans un plan.

▸ 2 autres atomes (dont un est lie a C par une triple liaisoncovalente), disposes au long d’un axe.

Un carbone C peut par exemple se lier a :

▸ 4 hydrogenes H, on obtient un methane CH4.

▸ 2 oxygenes O, on obtient le dioxyde de carbone O = C = O, ouCO2.

▸ 1 hydrogene H et 1 azote N, on obtient du cyanure H −C ≡ N, etc.

Geometrie des chaınes carbones

La chimie organique ou chimie des molecules carboneesLes groupements moleculaires lies au carbone :

Quels groupements pouvez-vous identifier dans la molecule suivante ? :

Quelques molecules organiques remarquables en biochimie▸ Les alcools :

▸ Les vitamines :

▸ Les hemes :

Quelques molecules organiques remarquables en biochimie▸ Les hormones et les neurotransmetteurs :

▸ Les drogues :

▸ Les molecules toxiques :

Quelques molecules organiques remarquables en biochimie

Les glucides, ou sucres

▸ Les sucres “mono-saccharides” :

▸ Les sucres “di-saccharides” :

▸ Les polymeres de glucose :

Quelques molecules organiques remarquables en biochimie

Les lipides, acides-gras ou graisses

▸ Acides gras satures :

▸ Acides gras insatures :

▸ Les lipides complexes :

Les acides-amines

Liaison peptidique et proteines

▸ La liaison peptidique lie deux acides-amines pour former un peptide,soit petite proteine :

▸ Le “squelette peptidique” :

▸ Repliement du peptide et structure secondaire :

Repliement des proteinesExemple de l’hemoglobine :

▸ La structure tertiaire d’une proteine, ou repliement :

▸ La structure quaternaire, ou association de plusieurs proteines :

Les proteines structurales▸ Les collagenes (structure peau, os, cornee, membranes cellulaire) :

▸ Les tubulines et microtubules (cytosquelette, mobilite cellulaire,transport intra-cellulaire, replication, etc.) :

▸ L’actine et les filaments d’actine (contraction, mobilite, etc.) :

Les proteines fonctionnelles▸ Les hormones peptidiques : provoquent des reactions lorsqu’elles

sont captees par une proteine receptrice.

▸ Les enzymes : realisent des reactions biochimiques, metaboliques etcataboliques, par exemple sur l’ADN, l’ARN, des metabolites oud’autres proteines.

▸ Les recepteurs : lancent une cascade de reactions lorsqu’elles fixentun ligand (ion, metabolite, hormone, etc.).

▸ Les proteines membranaires : assurent la communication /signalisation de part et d’autre de la membrane plasmique.

▸ Les canaux a ions ou a neurotransmetteurs : font franchir lamembrane plasmique a d’autres molecules / atomes (signal nerveux,perception temperature, pression, osmose, etc.).

▸ Les pompes a proton : proteines transmembranaires generant del’energie lorsqu’elles sont traversees d’un flux de proton H+

(respiration, photosynthese, ex : ATP synthase).

▸ Les histones : compactent l’ADN sous forme de chromosomes.

▸ Les immunoglobulines : assurent l’immunite et la reconnaissance dusoi.

Biosynthese des proteines▸ Le ribosome : complexe forme de proteines (ribosomal proteins, RP)

et d’Acide Ribo-Nucleique (ARN 28S, 18S, 5S).

▸ Synthese ribosomale : le ribosome traduit un ARN messager(ARNm, ou mRNA) en proteine (chez tous les etres cellulaires).

▸ Synthese non-ribosomale : realisee par les proteines NRPSnon-ribosomal peptide synthetase (bacteries et champignons).

Les acides nucleiques de l’ADN et de l’ARN▸ Les nucleobases ou bases azotees : de forme purine (Ademine et

Guanine) ou pyrimidine (Cytosine, Uracile et Thymine).

▸ Les nucleosides : une nucleobase (A, C, G, T ou U) + un sucre,ribose (ribo-nucleoside) ou desoxyribosose (desoxyribo-nucleosides).

▸ Les phospho-nucleotides (A, C, G, T ou U) : un nucleoside + ngroupements phosphates.

L’ADN et l’ARN▸ l’ADN : acide desoxyribonucleique, constitue des bases A, C, G et T.▸ L’ARN : acide ribonucleique, constitue des bases A, C, G et U.▸ L’ARN et l’ADN, des polymeres de phospho-nucleotides :

▸ Les paires de bases “AT” et “GC” :

▸ Structure secondaire des ADN et ARN :

Les formes de l’ADN▸ La double helice de l’ADN :

▸ Plasmides et chromosomes, les supports de l’information genetique :

Les ARN fonctionnels

▸ micro-ARN et ARN interferant : se fixent aux ARNm et en modifientle comportement :

Les ARN fonctionnels▸ Les ARN messagers (ARNm), ou transcrit : produits de l’expression

des genes. La sequence d’ADN du gene est recopiee (transcrite) sousla forme d’un ARNm.

▸ Les ARN de transfert (ARNt ou tRNA), le code genetique et la“traduction” du codon en acide amine :

Les ARN fonctionnels▸ Les sous-unites de l’ARN ribosomique, ARNr ou rRNA (16S, 23S, 5S

chez les bacteries et les archees ; 18S, 28S, 5S chez les Eucaryotes) :

▸ Le ribosome, un complexe d’ARNr et de proteines ribosomiques :

▸ La traduction : Le ribosome et les ARN de transfert synthetisent laproteine encodee par la region codante d’un ARN messager.

Production des donnees de biologie moleculaire▸ Spectrometrie de masse

▸ Cristallographie

▸ De la chromatographie au sequencage robotise a haut debit (NGS,HTS)