Biochimie générale
Cours et questions de révision
Jacques-Henry Weil
Johan Auwerx, Hubert Becker, Yves Boulanger, Nassim Dali-Youcef, Didier Devys, Catherine Florentz, Valérie Fritsch, Claude Kedinger, Isabelle Lelong-Rebel, Marc Le Maire, Jean Montreuil, Willy Morelle, Maurice Offner, Pierre Oudet, Sébastien Pfeffer, Gérard Rebel, Jean-Michel Rossignol, Jean-Luc Souciet, James Stevenin, Éric Westhof
Dunod
Introduction à la onzième édition
XXI
Préface à la première édition
XXIII
Chapitre 1. Aminoacides, peptides, protéines structures et principales propriétés1
Aminoacides
2
I. Classification des α-aminoacides2
1. α-aminoacides non polaires ou hydrophobes
2
2. α-aminoacides polaires ou hydrophiles
4
3. Autres aminoacides
6
II. Principales propriétés physiques des aminoacides6
1. Isomérie optique
6
2. Absorption dans l'ultraviolet
7
3. Ionisation
8
III. Principales propriétés chimiques des aminoacides13
1. Réactions dues à la présence du carboxyle
13
2. Réactions dues à la présence du groupement aminé
13
3. Réactions nécessitant la présence simultanée d'un carboxyle et d'une amine sur le carbone α
15
4. Propriétés des chaînes latérales R
16
Structure primaire des peptides et des protéines
17
I. Composition en aminoacides17
1. Hydrolyse des protéines
17
2. Analyse des aminoacides
17
3. Expression des résultats
19
II. Séquence des aminoacides20
1. Détermination des aminoacides terminaux
20
2. Problème du nombre de chaînes peptidiques
22
3. Détermination de l'ordre d'enchaînement des aminoacides
23
4. Résultats
23
Peptides
24
I. Classification24
II. Nomenclature24
III. Obtention et purification25
IV. Étude de quelques peptides ayant une importance biologique25
1. Glutathion
25
2. Hormones peptidiques
25
3. Peptides ayant une activité antibiotique
28
Exercices29
Chapitre 2. Protéines31
Conformation tridimensionnelle des protéines
31
I. Liaisons intervenant dans la structure spatiale des protéines31
1. Liaison disulfure (ou pont disulfure)
31
2. Liaison ionique (ou saline)
31
3. Liaison hydrogène
32
4. Liaison hydrophobe
32
II. Structure secondaire des protéines32
1. Propriétés spatiales de la liaison peptidique
32
2. État étiré ou structure en feuillets plissés β
33
3. État hélicoïdal ou hélice α
33
4. Pelote statistique ou boucle
34
5. Coude β
35
III. Structure tertiaire des protéines35
IV. Structure quaternaire des protéines36
Dénaturation des protéines
37
Déterminisme de la conformation tridimensionnelle
37
Principales propriétés des protéines
38
I. Solubilité38
1. Influence des électrolytes
38
2. Influence du pH
39
3. Influence des solvants organiques
39
II. Masse moléculaire39
1. Filtration sur gel de dextrane
40
2. Électrophorèse sur gel de polyacrylamide
40
3. Spectrométrie de masse
41
4. Résultats
41
III. Caractère amphotère41
IV. Pression osmotique45
Isolement, fractionnement et purification des protéines
46
Classification des protéines
47
I. Classification en fonction de la forme des molécules47
1. Protéines fibreuses
47
2. Protéines globulaires
48
II. Classification en fonction de la solubilité48
III. Classification en fonction de la composition49
1. Phosphoprotéines
49
2. Glycoprotéines
49
Chromoprotéines
50
I. Classification50
1. Chromoprotéines porphyriniques
50
2. Chromoprotéines non porphyriniques
50
II. Hémoglobines51
1. Structure des hémoglobines
51
2. Propriétés des hémoglobines
57
Exercices62
Chapitre 3. Enzymes et catalyse enzymatique65
Catalyse
65
I. Constante d'équilibre et variation d'énergie libre d'une réaction65
II. Énergie d'activation et rôle des catalyseurs66
Structure des enzymes
68
I. Nature protéique68
1. Structure monomérique ou polymérique
68
2. Site actif des enzymes
69
II. Cofacteurs70
1. Ions métalliques
70
2. Groupements prosthétiques ou coenzymes vrais
71
3. Coenzymes mobiles ou cosubstrats
71
4. Relation entre vitamines et coenzymes
72
Spécificité de l'action enzymatique
72
I. Spécificité liée à la réaction72
II. Spécificité liée au substrat72
1. Spécificité liée à la nature de la liaison
73
2. Spécificité de groupe
74
3. Spécificité absolue pour un seul substrat
75
4. Stéréospécificité
75
Classification des enzymes
77
1. Oxydoréductases
78
2. Transférases
78
3. Hydrolases
79
4. Lyases
80
5. Isomérases
80
6. Ligases ou synthétases
80
Exercices82
Chapitre 4. Cinétique et mécanismes des réactions enzymatiques83
Cinétique enzymatique
83
I. Ordre de réaction83
1. Réaction du premier ordre
83
2. Réaction du second ordre
84
II. Vitesse initiale de la réaction du premier ordre85
III. Application de ces principes à la réaction enzymatique85
1. Les deux étapes
85
2. Vitesse initiale
86
3. Représentations graphiques
88
IV. Influence de différents paramètres sur la vitesse initiale89
1. Influence de la température
89
2. Influence du pH
90
V. Différents types d'inhibiteurs94
1. Inhibiteur compétitif
94
2. Inhibiteur non compétitif
97
3. Autres inhibiteurs
98
Mécanismes des réactions enzymatiques
99
I. Mécanismes de la catalyse99
II. Rôles des cofacteurs ou coenzymes100
Enzymes allostériques
101
I. Propriétés générales101
1. Vitesse initiale et coopérativité
101
2. Enzymes et effecteurs allostériques
102
3. Structure oligomérique
102
II. Modèles moléculaires103
1. Le modèle concerté
103
2. Le modèle séquentiel
103
III. Cinétique d'une enzyme allostérique104
1. Effecteurs de type K
104
2. Effecteurs de type V
104
IV. Transition allostérique et modification covalente105
Annexe : structure et mode d'action des principaux coenzymes
106
I. Coenzymes d'oxydoréduction106
1. Nicotinamide-adénine-dinucléotide ou NAD
106
2. Nicotinamide-Adénine-Dinucléotide-Phosphate ou NADP
107
3. Flavine-nucléotides (FMN et FAD)
107
4. Ferro-porphyriñes
107
5. Acide lipoïque
109
II. Coenzymes transfert de groupements109
1. Thiamine-PyroPhosphate (TPP) ou cocarboxylase.
109
2. Coenzyme A ou coenzyme d'acylation
109
3. Acide tétrahydrofolique ou FH4
110
4. S-adénosyl-méthionine
110
5. Biotine
110
6. Phosphate de pyridoxal
110
7. Cobalto-cobalamine
112
Exercices113
Chapitre 5. Membranes biologiques115
Biochimie des membranes et transports membranaires
115
I. Introduction115
II. Lipides membranaires117
1. Composition lipidique des membranes
118
2. Asymétrie transversale de composition lipidique
120
3. Liposomes : applications thérapeutiques
121
III. Protéines membranaires : aspects structuraux122
1. Nature et propriétés des détergents
122
2. Solubilisation des membranes par les détergents non dénaturants ; reconstitution des protéines purifiées
124
3. Structure des protéines membranaires
126
IV. Dynamique structurale132
1. Fusion membranaire
132
2. Fluidité (viscosité) des membranes
136
3. Diffusion latérale et domaine de diffusion
138
V. Transports spontanés : transport passif, transport facilité139
1. Transport passif
139
2. Transport facilité
140
VI. Transports actifs : ATPases membranaires et transports actifs secondaires147
1. ATPases membranaires
147
2. Transports actifs secondaires
150
Bioénergétique cellulaire et membranaire
154
I. Variation d'enthalpie libre, travail et spontanéité des transformations154
II. Couplages énergétiques158
1. Réaction chimique et travail chimique
158
2. Transport et travail osmotique
160
3. Couplage de deux réactions chimiques
161
4. Couplages faisant intervenir un transport
162
III. Rôle central de l'ATP163
1. Synthèse d'ATP au cours de la glycolyse
164
2. Cycle de Krebs et formation des équivalents réducteurs
168
IV. Phosphorylation oxydative mitochondriale170
1. Chaîne membranaire mitochondriale de transfert d'électrons
172
2. ATPsynthase
179
V. Phosphorylation oxydative bactérienne184
VI. Photophosphorylation et photosynthèse184
1. Excitation des chlorophylles
184
2. Antennes et centres réactionnels
185
3. Bactéries photosynthétiques : photophosphorylation
186
4. Chloroplastes et photosynthèse
187
Exercices190
Chapitre 6. Structure des glucides et des glycoprotéines193
Structure des glucides
193
Oses
193
I. Isomérie des oses194
1. Aldoses
195
2. Cétose s
196
II. Structure cyclique des oses197
III. Différents types d'oses202
1. Oses « neutres »
202
2. Osamines
203
3. Acides uroniques
203
4. Acides sialiques
204
IV. Composés dérivés des oses204
1. Acide L-ascorbique (vitamine C)
204
2. Polyalcools (ou polyols)
205
V. Nomenclature des oses206
VI. Propriétés chimiques des oses206
1. Formation d'esters
206
2. Alkylation
207
3. Oxydation des oses
207
4. Action des acides concentrés
208
5. Action de la phénylhydrazine
208
6. Action des alcools
209
Osides
209
I. Holosides209
1. Diholosides
209
2. Triholosides
212
3. Polyholosides
212
II. Hétérosides216
Glycoconjugués
216
I. Les constituants monosaccharidiques216
II. Les protéoglycannes217
1. Les GAG de structure
217
2. Les GAG de sécrétion (l'héparine)
218
III. Les peptidoglycannes218
IV. Les glycoprotéines219
1. Les différents types de glycosylation
219
2. Structures des chaînes glycanniques des glycoprotéines
220
V. Biosynthèse des glycoprotéines222
VI. Importance des glycoprotéines222
VII. Rôle des groupements glycanniques223
VIII. Glycopathologie des glycoprotéines224
1. Les glycopathologies congénitales
224
2. Les glycopathologies acquises
225
IX. Glycotechnologies226
Exercices227
Chapitre 7. Métabolisme des glucides231
Digestion et absorption des glucides
232
1. Digestion des glucides
232
2. Absorption des oses
233
Métabolisme des oses
234
1. Phosphorylation du glucose
234
2. Formation du glucose à partir du glucose-6-P
236
Synthèse et dégradation des polyosides
236
1. Synthèse du glycogène (glycogénogenèse)
237
2. Dégradation du glycogène (glycogénolyse)
239
Glycolyse
241
I. Réactions de la glycolyse241
1. Phosphohexose isomérase
241
2. Phosphofructokinase
242
3. Aldolase ou fructose-bisphosphate aldolase
242
4. Glycéraldéhyde-3-P déshydrogénase
244
5. 3-Phosphoglycérate kinase
245
6. Phosphoglycérate mutase
245
7. Énolase
246
8. Pyruvate kinase
246
II. Possibilités de transformation de l'acide pyruvique et de réoxydation du NADH en anaérobiose246
1. Production d'acide lactique
246
2. Fermentation alcoolique
247
3. Formation de l'α-glycérophosphate et du glycérol
247
III. Bilan énergétique de la glycolyse248
1. En aérobiose (voir tableau)
248
2. En anaérobiose
248
IV. Métabolisme des autres oses en relation avec la glycolyse249
1. Le fructose
249
2. Le mannose
250
3. Le galactose
250
V. Réversibilité de la glycolyse : néoglucogenèse252
1. Passage de l'acide pyruvique à l'acide phospho-énol-pyruvique
253
2. Passage du fructose-1,6-bis-P au fructose-6-P
256
3. Passage du glucose-6-P au glucose
256
VI. Régulation de la glycolyse256
1. L'hexokinase
256
2. La phosphofructokinase-1
257
3. La pyruvate kinase
258
Décarboxylation oxydative de l'acide pyruvique
259
1. Réaction de décarboxylation
259
2. Réaction d'oxydation
259
3. Formation de l'acétyl-coenzyme A
259
4. Réoxydation de l'acide lipoïque
259
5. Réoxydation du FADH
260
6. Régulation de la pyruvate déshydrogénase
260
Cycle de krebs
262
1. Réactions du cycle de Krebs
262
2. Bilan énergétique
264
3. Formation et décarboxylation de l'acide oxalo-acétique
265
Voie des pentoses-phosphates
266
1. Oxydation du glucose-6-P en ribulose-5-P
267
2. Isomérisation du ribulose-5-P
268
3. Interconversions des pentoses-P et des hexoses-P par transaldolisation et transcétolisation
269
4. Bilan énergétique
270
5. Réversibilité des interconversions
272
Phase obscure de la photosynthèse : réduction du CO2 en glucides
273
Biosynthèse des osides
276
1. À partir des glucides « libres »
276
2. À partir des oses 1-phosphates
276
3. À partir des glycosylnucléotides
276
Exercices282
Chapitre 8. Structure des lipides287
I. Acides gras287
1. Acides gras saturés
287
2. Acides gras désaturés (insaturés)
288
3. Acides gras hydroxylés
289
4. Acides gras ramifiés
289
5. Acides gras à très longue chaîne
290
6. Eicosanoïdes, peroxides
290
7. Autres composés voisins
291
II. Glycérolipides291
1. Glycérides (acyl-glycérols)
291
2. Glycérophospholipides (phosphatides, phospholipides)
292
3. Bétaïne lipides
294
4. Glycosyldiglycérides
295
5. « Cord Factors »
295
6. N-acyl-éthanolamine
295
III. Sphingolipides295
1. Sphingomyélines
296
2. Sphingoglycolipides
297
IV. Cérides298
V. Hydrocarbures298
VI. Lipides polyisopréniques298
1. Hydrocarbures polyisopréniques (terpénoïdes)
298
2. Stérols et stéroïdes
300
3. Caroténoïdes
303
4. Quinones à chaîne isoprénique
305
Exercices307
Chapitre 9. Métabolisme des lipides309
Digestion des lipides
309
I. Digestion dans la cavité orale309
II. Digestion stomacale310
III. Digestion intestinale310
Métabolisme des acides gras
311
I. Oxydation des acides gras311
1. Oxydation des acides gras linéaires saturés à nombre pair d'atomes de carbone
311
2. Oxydation des acides gras saturés à nombre impair d'atomes de carbone
315
3. Oxydation des acides gras désaturés
316
4. Peroxydation des acides gras désaturés
316
5. Oxydation des acides gras ramifiés
320
II. Biosynthèse des acides gras320
1. Synthèse des acides gras saturés
320
2. Synthèse des acides gras désaturés
325
3. Régulation du métabolisme des acides gras
326
Métabolisme des autres composés lipidiques
327
I. Métabolisme des glycérolipides327
1. Synthèse et dégradation des glycérophospholipides
327
2. Synthèse et dégradation des acylglycérols (glycérides)
331
II. Rôle des phospholipides332
1. Cycle de l'inositol triphosphate
332
2. Régulation de la synthèse du DNA
333
3. Synthèse et catabolisme des N-acyl-éthanolamines
333
III. Biosynthèse des stérols et stéroïdes333
1. Biosynthèse du cholestérol
333
2. Biosynthèse des acides biliaires
339
3. Formation des autres stéroïdes
340
IV. Cétogenèse341
V. Métabolisme des sphingolipides343
1. Synthèse des sphingolipides
343
2. Catabolisme des sphingolipides
343
3. Pathologie des sphingolipides
344
4. Rôle des sphingolipides
344
VI. Cycle des sphingolipides346
VII. Ancrages des protéines346
VIII. Effet des lipides sur les propriétés des membranes biologiques347
IX. Transport des lipides349
1. Transport intracellulaire
349
2. Transport intertissulaire
349
X. L'obésité, une altération du métabolisme lipidique.350
X. Interrelations entre les métabolites glucidique et lipidique351
1. Transformation des glucides en lipides
351
2. Transformation des lipides en glucides
351
Exercices354
Chapitre 10. Structure des nucléotides et des acides nucléiques357
I. Pentoses358
II. Bases azotées359
1. Bases puriques ou purines substituées
359
2. Bases pyrimidiques ou pyrimidines substituées
360
3. Tautomérie des bases
360
III. Nucléosides361
IV. Nucléosides-monophosphates362
V. Nucléosides di- et triphosphates364
VI. Structure primaire des acides nucléiques365
VII. Détermination des séquences nucléotidiques365
1. Hydrolyse des RNA et des DNA
367
2. Détermination de la séquence d'un oligoribonucléotide
370
3. Détermination de la séquence des acides ribonucléiques
371
4. Détermination de la séquence des acides désoxyribonucléiques
373
VIII. La double hélice du DNA376
IX. Structure secondaire des RNA381
X. Propriétés physico-chimiques des acides nucléiques381
XI. Hybridation384
Exercices385
Chapitre 11. Biosynthèse des nucléotides387
Biosynthèse des nucléosides-5'-triphosphates
387
I. Biosynthèse des ribonucléosides 5'-triphosphates puriques388
1. Biosynthèse de novo de VIMP
388
2. Formation de VAMP et du GMP à partir de l'IMP
389
3. Utilisation des purines préformées
393
4. Phosphorylation des nucléosides-5 '-monophosphates en nucléosides-5'-triphosphates
394
II. Biosynthèse des ribonucléosides-5'-triphosphates pyrimidiques395
1. Biosynthèse de novo de l'UMP
395
2. Utilisation des pyrimidines préformées
398
3. Formation des ribonucléotides uridyliques et cytidyliques
398
III. Formation des désoxyribonucléosides-5'-triphosphates puriques399
IV. Formation des désoxyribonucléosides-5'-triphosphates pyrimidiques400
1. Formation du dUMP
401
2. Méthylation du dUMP en dTMP
401
3. Utilisation de la thymine et de la désoxythymidine
403
Acides nucléiques et information génétique
403
1. Preuves du rôle du DNA comme support de l'information génétique
404
2. Nature protéique des produits de l'expression des gènes. Effets des mutations
405
3. Transferts d'information
406
Exercices408
Chapitre 12. Réplication des DNA411
I. Mécanismes fondamentaux de la réplication411
1. La réplication est semi-conservative
411
2. La polymérisation des nucléotides est assurée par une DNA polymérase
412
3. La réplication commence à une séquence spécifique du DNA et est bidirectionnelle
415
4. Le modèle du réplicon
416
II. Étapes de la réplication416
1. Étape d'initiation
417
2. Étape d'élongation
418
3. Étape de terminaison
419
4. En résumé
419
III. Réplication chez Escherichia coli419
1. Approches expérimentales de la réplication
420
2. Initiation à l'origine de réplication
420
3. Contrôle de l'initiation de la réplication
421
4. Progression de la fourche de réplication
422
5. Terminaison de la réplication
425
IV. Réplication chez les eucaryotes426
1. DNA polymérases
427
2. Initiation à l'origine de réplication
428
3. Progression de la fourche de réplication
432
4. Étape de terminaison
434
5. Autres protéines impliquées dans la réplication
434
V. Fidélité de la réplication et réparation des lésions434
1. Activité correctrice des DNA polymérases
435
2. Fidélité et mécanisme de réplication
435
3. Mécanismes de réparation
436
VI. DNA polymérase RNA-dépendante (transcriptase inverse)437
Exercices439
Chapitre 13. Biosynthèse et maturation des RNA441
I. Polynucléotide-phosphorylase441
II. RNA polymérases DNA-dépendantes442
1. Étapes de la transcription
444
2. Inhibiteurs de la transcription
444
3. RNA polymérase bactérienne
445
4. Transcription chez les eucaryotes
456
III. Maturation des produits de transcription462
1. Maturation des rRNA et tRNA
462
2. Maturation des mRNA eucaryotes
464
IV. RNA réplicase480
Exercices483
Chapitre 14. Biosynthèse et transport des protéines485
I. Synthèse de l'aminoacyl-iRNA utilisé par le ribosome pour traduire les codons du RNA messager486
1. RNA de transfert (tRNA)
487
2. Enzyme d'activation ou aminoacyl-tRNA synthétase
489
II. Les voies indirectes de synthèse d'un aminoacyl-tRNA qui compensent l'absence d'une aminoacyl-tRNA synthétase495
III. Etapes ribosomiques de la traduction du RNA messager498
1. Ribosomes
498
2. RNA messager (mRNA)
500
3. Mécanisme de la traduction
502
III. Modifications des protéines522
IV. Transport des protéines néosynthétisées524
1. Destinée des protéines synthétisées sur les ribosomes liés
524
2. Destinée des protéines synthétisées sur les ribosomes libres
528
Exercices531
Chapitre 15. Contrôle de l'expression des gènes535
Contrôle de l'expression génétique au niveau de la transcription
535
I. Systèmes procaryotes537
1. Initiation de la transcription
537
2. Terminaison de la transcription
549
II. Systèmes eucaryotes554
1. Modifications au niveau du génome
554
2. Spécialisation des RNA polymérases
563
3. Séquences promotrices particulières (ou signaux particuliers)
563
4. Facteurs de transcription
566
5. Formation des complexes d'initiation de la transcription
570
6. Activation transcriptionnelle
574
7. Répression transcriptionnelle
579
8. Terminaison de la transcription
579
9. Régulation de la transcription en réponse à des signaux extracellulaires
579
10. Obésité, un exemple de maladie neuro-endocrinienne : mécanismes moléculaires et perspectives thérapeutiques
586
11. L'AMP cyclique ou cAMP, un intermédiaire de signalisation aux fonctions multiples
592
Contrôle de l'expression génétique au niveau post-transcriptionnel
602
1. Maturation et transport des mRNA
602
2. MicroRNA non codants, interférence et extinction post-transcriptionnelle des gènes (« silencing »)
603
3. Traduction
606
Importance de l'expression coordonnée des gènes
608
1. Différenciation et spécialisation cellulaires
608
2. Un exemple de perturbation : l'oncogenèse
610
Exercices613
Chapitre 16. Organisation du génome nucléaire615
1. Distribution des gènes
615
2. Familles de gènes
616
3. Séquences répétées
617
4. Conclusion
618
Chapitre 17. Organisation et expression des génomes des organites619
1. Génomes mitochondriaux
619
2. Génomes chloroplastiques
623
Exercices625
Chapitre 18. Étude des génomes transgénèse627
I. Séquençage des génomes627
II. Identification des gènes628
III. L'ère postgénomique630
IV. Transgenèse et organismes génétiquement modifiés (OGM)633
1. Méthodes de clonage
633
2. Clonage d'un gène spécifique
636
3. Expression des gènes clonés
637
4. Clonage de gènes dans les cellules eucaryotes
638
5. Applications du génie génétique
639
6. Applications cliniques de la technique de « PCR »
645
Exercices652
Chapitre 19. Métabolisme des composés azotés655
I. Réactions générales des aminoacides656
1. Réactions enzymatiques où le phosphate de pyridoxal est le coenzyme
656
2. Désamination
660
II. Origine des aminoacides dans les organismes vivants664
1. Synthèse des aminoacides
664
2. Absorption des aminoacides préformés
668
III. Métabolisme des aminoacides670
1. Métabolisme de la glycine et de la sérine
671
2. Métabolisme des aminoacides soufrés
678
3. Métabolisme des aminoacides dicarboxyliques et de leurs amides
685
4. Métabolisme de la phénylalanine et de la tyrosine
693
IV. Métabolisme protéique698
1. Notion d'équilibre azoté
698
2. État dynamique des protéines
700
V. Produits d'élimination du métabolisme azoté701
1. Ammoniac et sels ammoniacaux
702
2. Uréogenèse
702
3. Acide urique
705
4. Catabolisme des porphyrines
710
VI. Intégration des métabolismes protéique, glucidique, lipidique et nucléique710
Exercices714
Réponses aux exercices
717
Index
725