Biomolécules

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

• passer de la projection de Fischer d'un ose à son pyranose, reconnu comme un hémiacétal, et dessiner la chaise du β-D-glucopyranose;
• calculer la composition d'un mélange d'anomères à partir des pouvoirs rotatoires et distinguer un sucre réducteur d'un sucre non réducteur;
• attribuer la configuration d'un acide aminé, expliquer pourquoi la L-cystéine est (R), et calculer le point isoélectrique et la charge d'un acide aminé ou d'un petit peptide;
• décrire la liaison peptidique, les ponts disulfure et les niveaux de structure d'une protéine;
• relier la structure des lipides — acides gras cis et trans, triglycérides, phospholipides, stéroïdes — à leurs propriétés;
• expliquer l'appariement des bases des acides nucléiques et retrouver dans les enzymes les réactions du cours.

Ce dernier chapitre n'introduit pas de nouvelle réaction: il applique les quatorze précédents aux molécules du vivant. Un sucre est un polyalcool porteur d'un carbonyle, que la chimie des hémiacétaux (chapitre 10) referme en cycle; un acide aminé réunit une amine et un acide, et sa charge se lit avec l'acidité du chapitre 2; une protéine est un polyamide, une graisse un triester, l'ADN un polyphosphodiester porteur d'hétérocycles aromatiques. Chaque section cite le chapitre qui fournit l'outil. «Biochimie» prendra le relais pour le métabolisme et la structure des protéines, «ADN forensique» pour l'identification par l'ADN. Les données sont celles du cours: pouvoirs rotatoires classiques du glucose et $\mathrm{p}{K}_a$ des acides aminés du Lehninger à 25 °C.

Les glucides

Les oses et la projection de Fischer

Le glucose, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$ ($M=180,16\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$), possède quatre carbones stéréogènes, C2 à C5, donc stéréo-isomères (chapitre 4, Stéréochimie, théorème 4.2). On les dessine en : chaîne verticale, carbonyle en haut, liaisons horizontales vers l'observateur. Le préfixe ou se lit sur le (C5 d'un hexose): OH à droite pour D, à gauche pour L, par référence au glycéraldéhyde. Presque tous les oses naturels sont D. Dans le D-glucose, les OH de C2, C4 et C5 sont à droite et celui de C3 à gauche, soit (2,3,4,5). Deux oses qui ne diffèrent qu'en centre sont des : le D-mannose (en C2) et le D-galactose (en C4) sont des épimères du D-glucose, donc des diastéréo-isomères.

Le glucopyranose, un hémiacétal cyclique

Le chapitre 10 (Aldéhydes et cétones: additions nucléophiles, définition 10.3) a montré qu'un alcool s'additionne réversiblement sur un aldéhyde en hémiacétal, et que cet équilibre est défavorable entre deux molécules. Le glucose porte les deux groupes sur la même chaîne: l'hydroxyle de C5 attaque le carbonyle de C1 et forme un cycle à six atomes, la forme pyranose. Le cycle est presque sans tension (chapitre 3, Alcanes, conformations et cycloalcanes) et la réaction intramoléculaire ne perd pas d'entropie de translation: la chaîne ouverte ne représente plus qu'une fraction infime du glucose dissous, bien moins de 1 %. Le cycle à cinq chaînons, la forme furanose, est minoritaire pour le glucose mais c'est celle du ribose des acides nucléiques et du fructose du saccharose.

L'hydroxyle de C5 peut attaquer l'une ou l'autre face du carbonyle plan (faces Re et Si, chapitre 4): C1 devient stéréogène, et il existe deux glucopyranoses.

Les deux anomères se cristallisent séparément: $[\alpha {]}_{\mathrm{D}}=+112,2$ pour l'α-D-glucopyranose, $+18,7$ pour le β (unités du chapitre 4, définition 4.5). En solution, chacun redonne l'autre en passant par la chaîne ouverte, sous catalyse acide ou basique comme tout hémiacétal. Dissolvez l'α pur: le pouvoir rotatoire décroît en quelques heures jusqu'à $+52,7$; partez du β: il monte jusqu'à la même valeur. Cette mutarotation prouve l'interconversion et donne la composition de l'équilibre.

La chaise du β-D-glucopyranose

Comme le cyclohexane, le pyranose adopte une chaise (chapitre 3). Dans celle du β-D-glucopyranose, les cinq substituants — OH de C1 à C4 et $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$ de C5 — sont équatoriaux, un cas unique parmi les aldohexoses; l'anomère α n'en diffère que par son OH anomérique axial. Le passage de Fischer à la chaise suit des règles mécaniques.

La liaison glycosidique et les sucres réducteurs

En milieu acide, l'OH anomérique est remplacé par un second alcool, selon le mécanisme du chapitre 10 (figure 10.2: protonation, départ d'eau, ion oxocarbénium, attaque de l'alcool): l'hémiacétal devient un acétal.

Comme tout acétal, la liaison glycosidique est stable en milieu basique, hydrolysée en milieu acide et par les glycosidases. Surtout, un carbone anomérique engagé ne peut plus s'ouvrir: il ne mutarote plus et ne donne plus d'aldéhyde. Or les tests de Tollens et de Fehling (chapitre 10) oxydent un aldéhyde: ils détectent les oses dont un carbone anomérique est libre, les sucres réducteurs. Le fructose réagit aussi, parce qu'en milieu basique il s'isomérise en aldoses par un ènediol (tautomérie, chapitre 12, définition 12.1).

Les diholosides courants sont le maltose (α-D-glucopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose, issu de l'amidon), le lactose (β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose, sucre du lait) et le saccharose (α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside, $[\alpha {]}_{\mathrm{D}}=+66,5$).

Un fil médical passe par ce carbone libre. La forme ouverte du glucose sanguin, bien que très minoritaire, donne lentement et sans enzyme une imine avec l'amine terminale de l'hémoglobine (chapitre 10, définition 10.5), qui se réarrange ensuite irréversiblement. Cette hémoglobine glyquée (HbA1c) s'accumule d'autant plus que la glycémie est restée haute pendant la vie des globules rouges, quelques mois: son dosage suit le diabète dans la durée.

Amidon, glycogène, cellulose

Les trois grands polyosides sont faits de D-glucose seul; ce qui les distingue est l'anomérie de la liaison. L'amidon des plantes est un mélange d'amylose, chaîne linéaire liée en α(1→4), et d'amylopectine, ramifiée par des liaisons α(1→6). Le glycogène, réserve animale du foie et des muscles, est une amylopectine plus ramifiée: chaque branche est une extrémité de plus où les enzymes prélèvent du glucose en parallèle. La cellulose est une chaîne linéaire liée en β(1→4).

La liaison α impose un coude, et l'amylose s'enroule en hélice accessible aux enzymes. La liaison β, dont les deux liaisons du pont sont équatoriales, donne une chaîne droite et plate, chaque unité retournée de 180° par rapport à la précédente. Les chaînes de cellulose s'empilent et se lient par de nombreuses liaisons hydrogène (Chimie générale, chapitre 7) en microfibrilles insolubles et résistantes: le bois, le coton. Nos α-glucosidases hydrolysent l'amidon, mais aucune de nos enzymes ne coupe la liaison β(1→4): la cellulose traverse le tube digestif sous forme de fibres. Les ruminants ne la digèrent que grâce aux micro-organismes de leur panse.

Les acides aminés

Structure et configuration

En projection de Fischer (carboxyle en haut, chaîne en bas), un L-acide aminé a son amine à gauche: la géométrie est la même pour tous. Le descripteur CIP, lui, dépend des priorités (chapitre 4). Pour la L-alanine, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ (N) passe d'abord; entre $\mathrm{COOH}$ et $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, le carbone du carboxyle porte (O, O, O) contre (H, H, H): l'ordre est $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2>\mathrm{COOH}>\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3>\mathrm{H}$, et la L-alanine est (). Il en va de même chaque fois que la chaîne commence par un carbone ne portant que C, N, O ou H, car (O, O, O) n'est pas battu.

La cystéine, $\mathrm{R}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{SH}$, fait exception. Son premier carbone porte (S, H, H). On compare les ensembles en commençant par leur atome le plus prioritaire: S (16) bat O (8), et la comparaison s'arrête là. Le $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{SH}$ passe devant le carboxyle, les priorités 2 et 3 s'inversent, et la L-cystéine est (R). Rien n'a bougé dans l'espace: seule l'étiquette change.

La thréonine et l'isoleucine ont un second centre dans leur chaîne. Les D-acides aminés existent dans la paroi des bactéries (D-alanine, D-glutamate), qu'ils protègent des protéases. Et un fil forensique part de cette configuration: dans la dentine, tissu qui ne se renouvelle pas, l'acide aspartique se racémise lentement au cours de la vie, par arrachement de l'hydrogène α, rendu acide par le carbonyle voisin (dans la protéine, surtout via un cycle succinimide qui accroît cette acidité; chapitre 12, Énols, énolates et condensations). La proportion de D-aspartate, mesurée par chromatographie après séparation des énantiomères, sert à estimer l'âge au décès en odontologie médico-légale. Étalonnée sur des dents d'âge connu et sensible à la température, c'est une horloge chimique, pas une date exacte.

Le zwitterion et les constantes d'acidité

Un acide aminé porte un acide ($\mathrm{p}{K}_a$ voisin de 2) et un ion ammonium ($\mathrm{p}{K}_a$ de 9 à 10). Le transfert interne du proton du carboxyle à l'amine est favorable d'un facteur de l'ordre de $10^7$ (chapitre 2, Effets électroniques, résonance et acidité, théorème 2.2): en solution comme dans le cristal, l'acide aminé est un zwitterion, ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{N}}^{+}-\mathrm{CHR}-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$, neutre mais doublement chargé. D'où ses propriétés de sel: fusion avec décomposition à haute température, solubilité dans l'eau, insolubilité dans les solvants organiques.

Le tableau donne les $\mathrm{p}{K}_a$ du cours (Lehninger, 25 °C), pour la forme acide de chaque groupe.

Le carboxyle de la glycine (2,34) est bien plus acide que l'acide éthanoïque (4,76): le $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+}$ voisin stabilise le carboxylate par effet inductif, comme le chlore des acides chloroéthanoïques (chapitre 2). Les chaînes retrouvent leurs familles: le thiol de la cystéine rappelle l'éthanethiol (10,6, chapitre 9), le phénol de la tyrosine le phénol (10,0), l'imidazolium de l'histidine celui du chapitre 8 (≈ 7,0).

Le point isoélectrique

Démonstration. Pour la glycine, notons ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{A}}^{+}$, $\mathrm{H}{\mathrm{A}}^{\pm }$ et ${\mathrm{A}}^{-}$ ses trois formes, avec $K_1=[\mathrm{H}{\mathrm{A}}^{\pm }][{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]/[{\mathrm{H}}_2{\mathrm{A}}^{+}]$ et . La charge nette est nulle si , soit, en exprimant les deux à partir du zwitterion,

d'où $\mathrm{pH}=(\mathrm{p}{K}_1+\mathrm{p}{K}_2)/2$, résultat exact pour deux groupes. Un troisième groupe de $\mathrm{p}{K}_a$ éloigné est, au voisinage du pI, presque entièrement dans un seul état; il n'ajoute qu'une correction de l'ordre de $10^{-|\mathrm{pH}-\mathrm{p}{K}_a|}$, et le raisonnement s'applique aux deux qui encadrent la forme neutre.

La démonstration suppose des groupes indépendants et des activités égales aux concentrations, deux bonnes hypothèses pour un acide aminé en solution diluée: pour l'aspartate et l'histidine, le calcul complet à trois groupes redonne la demi-somme à 0,001 près. La règle cesse d'être utile quand des $\mathrm{p}{K}_a$ sont voisins, comme dans une protéine; il faut alors résoudre l'équation de charge nulle.

La courbe de titrage de la glycine (figure 15.2) montre ces grandeurs. Partant du cation (chlorhydrate de glycine), on ajoute une base forte: deux paliers tampons (Chimie générale, chapitre 12) entourent les deux $\mathrm{p}{K}_a$, et le saut de pH qui les sépare, au premier point d'équivalence, passe par le pI.

L'explorateur isole une particularité de l'histidine: son imidazolium ($\mathrm{p}{K}_a$ 6,00) est le seul groupe proche du pH physiologique. À pH 7,4, environ 4 % des chaînes d'histidine libre sont protonées, et cette fraction varie fortement avec le pH ou l'environnement. Dans une enzyme, l'histidine peut ainsi accepter puis céder un proton au cours d'un même cycle: c'est la base générale des protéases et des estérases (dernière section). Dans une protéine, le $\mathrm{p}{K}_a$ d'un groupe peut toutefois s'écarter de plusieurs unités de sa valeur libre.

Les classes de chaînes latérales

La proline, dont l'azote est pris dans un cycle, forme des liaisons peptidiques sans $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ et casse les hélices; la cystéine est la seule à pouvoir lier deux chaînes de façon covalente.

Les acides aminés ont aussi un usage forensique classique. La sueur d'une empreinte digitale en laisse sur le papier, où ils restent longtemps fixés. La ninhydrine, une tricétone, forme une imine (chapitre 10, définition 10.5) avec leur amine primaire; l'adduit perd du dioxyde de carbone, s'hydrolyse, et le fragment azoté se condense sur une seconde ninhydrine en un colorant violet, le pourpre de Ruhemann, qui révèle les crêtes. La proline, amine secondaire, donne une teinte jaune.

Peptides et protéines

La liaison peptidique

Le chapitre 11 (Acides carboxyliques et dérivés) a expliqué la faible réactivité des amides par la délocalisation du doublet de l'azote sur le carbonyle. La liaison $\mathrm{C}-\mathrm{N}$ a donc un caractère partiel de double liaison: l'amide est plan, la rotation est bloquée, et la forme trans (carbones α de part et d'autre) domine largement, sauf devant une proline. Il ne reste que deux rotations libres par résidu, autour de $\mathrm{N}-{\mathrm{C}}_{\alpha }$ et ${\mathrm{C}}_{\alpha }-\mathrm{C}$. La même résonance rend l'hydrolyse sans catalyseur extrêmement lente — une demi-vie de l'ordre de quelques centaines d'années dans l'eau neutre à 25 °C (environ 400 ans par extrapolation, Radzicka et Wolfenden, 1996) — alors que les protéases coupent une liaison peptidique en quelques millisecondes.

Deux acides aminés différents forment deux dipeptides isomères, Gly–Ala et Ala–Gly. Avec vingt acides aminés, une chaîne de $n$ résidus a $20^n$ séquences possibles: déjà $20^5=3200000$ pour cinq résidus.

Les ponts disulfure et les niveaux de structure

Deux thiols s'oxydent en disulfure, $2\mathrm{R}-\mathrm{SH}⟶\mathrm{R}-\mathrm{S}-\mathrm{S}-\mathrm{R}+2{\mathrm{H}}^{+}+2e^{-}$, réaction que le chapitre 9 (Alcools, amines, thiols et oxydoréduction, figure 9.3) a présentée. Deux cystéines forment ainsi un pont disulfure (la cystine), seule liaison covalente entre parties éloignées d'une chaîne. L'insuline (51 résidus) compte deux chaînes, A et B, reliées par deux ponts, plus un troisième dans la chaîne A: réduite, elle se sépare en deux chaînes inactives. La permanente des cheveux réduit les ponts de la kératine, remet la fibre en forme et les réoxyde.

On décrit une protéine à quatre niveaux, qualitativement ici:

• la structure primaire, la séquence, covalente, qui détermine tout le reste;
• la structure secondaire, repliement local du squelette tenu par des liaisons hydrogène entre le $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ d'un amide et le $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ d'un autre: hélice α entre résidus proches, feuillet β entre segments étendus;
• la structure tertiaire, forme de la chaîne entière, tenue par les chaînes latérales: cœur apolaire à l'abri de l'eau (effet hydrophobe), paires d'ions, liaisons hydrogène, ponts disulfure;
• la structure quaternaire, l'association de plusieurs chaînes, comme les quatre (deux α, deux β) de l'hémoglobine.

La drépanocytose montre que la séquence décide de tout: dans l'hémoglobine S, le glutamate 6 de la chaîne β est remplacé par une valine. Une chaîne chargée en surface devient apolaire, et les molécules désoxygénées s'agrègent en fibres qui déforment les globules rouges. La substitution retire aussi une charge négative par chaîne β, si bien que l'HbS ne migre pas comme l'hémoglobine normale: l'électrophorèse sert au diagnostic.

Séquencer un peptide: Sanger et Edman

Frederick Sanger a séquencé l'insuline au début des années 1950 avec le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène. L'amine N-terminale l'attaque par substitution nucléophile aromatique (chapitre 8, Aromaticité et substitution électrophile aromatique, définition 8.5): les deux nitro stabilisent le complexe de Meisenheimer, le fluorure part, et le résidu N-terminal porte un dinitrophényle qui survit à l'hydrolyse complète de la chaîne. La dégradation d'Edman (phénylisothiocyanate) détache au contraire le seul résidu N-terminal en laissant la chaîne intacte, ce qui permet de lire la séquence cycle après cycle. La spectrométrie de masse en tandem a pris le relais pour les protéines.

Les lipides

Les acides gras

Les lipides sont définis par une propriété, non par une fonction: ce sont les molécules biologiques insolubles dans l'eau et solubles dans les solvants apolaires, dominées par de longues chaînes hydrocarbonées.

Les plus courants sont l'acide palmitique (hexadécanoïque, 16:0), l'acide stéarique (octadécanoïque, 18:0), l'acide oléique ((9Z)-octadéc-9-énoïque, 18:1) et l'acide linoléique ((9Z,12Z)-octadéca-9,12-diénoïque, 18:2); la notation donne le nombre de carbones et de doubles liaisons.

Une chaîne saturée, toute en conformation anti (chapitre 3), est un zigzag droit: les chaînes s'alignent comme des crayons et les forces de London sont maximales (Chimie générale, chapitre 7). Une double liaison cis introduit un coude qui empêche cet empilement: les forces sont plus faibles et la fusion plus basse. Les graisses riches en acides saturés (beurre) sont solides à température ambiante, les huiles riches en acides cis (olive, colza) liquides. Une double liaison trans laisse la chaîne presque droite: un acide gras trans se range presque comme un saturé.

Triglycérides, savons, membranes et stéroïdes

Une graisse est un triester, et sa chimie est celle du chapitre 11. En milieu basique, elle est saponifiée (définition 11.3): l'hydroxyde attaque chaque carbonyle par substitution nucléophile acyle et libère le glycérol et trois carboxylates, de façon irréversible puisque l'acide formé est aussitôt déprotoné. Ces carboxylates de sodium ou de potassium sont les savons: amphiphiles, ils forment dans l'eau des micelles dont le cœur hydrocarboné piège les graisses. Dans l'intestin, les lipases catalysent la même hydrolyse.

Les phosphoglycérides portent deux acides gras et, sur le troisième hydroxyle du glycérol, un phosphate lié à un petit groupe polaire (choline, éthanolamine, sérine). Deux queues sont trop encombrantes pour une micelle: dans l'eau, ces molécules forment spontanément une bicouche, queues face à face au centre, têtes vers l'eau des deux côtés. C'est la structure de toutes les membranes. Leur cœur hydrocarboné, épais de quelques nanomètres, arrête les ions et laisse passer les petites molécules neutres. C'est ce qui fonde le modèle de partition selon le pH du chapitre 2 (théorème 2.4), où seule la forme neutre d'un médicament diffuse. Les chaînes cis maintiennent la bicouche fluide.

Les stéroïdes ne dérivent pas des acides gras: leur squelette compte quatre cycles fusionnés (trois à six chaînons, un à cinq); dans le cholestérol, les jonctions trans le rendent presque plan et rigide (chapitre 3), alors que les acides biliaires, à jonction A/B cis, sont coudés. Le cholestérol, dont l'unique OH forme une petite tête polaire, s'insère entre les phospholipides et règle la fluidité des membranes. Il est le précurseur des hormones stéroïdes (cortisol, œstradiol, testostérone) et des acides biliaires. Les hormones ne diffèrent que par quelques groupes et configurations: identifier un stéroïde anabolisant, en antidopage ou en toxicologie, impose de séparer des isomères très voisins.

Les graisses trans

L'hydrogénation catalytique d'une huile (chapitre 7, Alcènes, alcynes et additions) sature une partie de ses doubles liaisons et la solidifie: c'était la fabrication des margarines. Mais sur le catalyseur, l'addition d'un premier hydrogène est réversible, et une double liaison cis non saturée peut se reformer en trans, plus stable. L'hydrogénation partielle crée ainsi des acides gras trans, presque absents des huiles de départ. Leur consommation est associée à un risque cardiovasculaire accru, et plusieurs pays, dont la Suisse, en limitent la teneur dans les aliments.

Nucléotides et acides nucléiques

Bases, nucléotides et squelette phosphodiester

Les quatre bases azotées sont des hétérocycles aromatiques (chapitre 8). L'adénine (A) et la guanine (G) sont des purines (un cycle à six chaînons accolé à un cycle à cinq); la cytosine (C), la thymine (T, ADN) et l'uracile (U, ARN) des pyrimidines. Le chapitre 8 a distingué l'azote de type pyridine, dont le doublet est dans le plan et qui accepte une liaison hydrogène, et l'azote de type pyrrole, dont le doublet est engagé dans le cycle et qui porte un H qu'il donne. L'alternance de donneurs et d'accepteurs sur le bord de chaque base permet l'appariement. Encore faut-il le bon tautomère (chapitre 12, définition 12.1): dans l'eau, les formes céto et amino dominent. Watson, qui partait des formes énol des manuels, ne trouva les paires A–T et G–C qu'après que le cristallographe Jerry Donohue lui eut signalé son erreur.

Dans un acide nucléique, chaque phosphate est estérifié par l'OH 3′ d'un nucléotide et l'OH 5′ du suivant: le squelette phosphodiester alterne sucre et phosphate, les bases pendant sur le côté. La chaîne a un sens, écrit de 5′ vers 3′. Le phosphodiester porte encore un OH très acide, ionisé à pH 7: l'ADN est un polyanion, soluble, attiré vers l'anode en électrophorèse et associé dans le noyau aux histones, riches en lysine et en arginine. Dans l'ARN, l'OH 2′ voisin du phosphodiester attaque le phosphore en milieu basique et coupe la chaîne; l'ADN, privé de ce nucléophile interne, est beaucoup plus stable — une qualité pour une molécule qui garde l'information, et pour une trace laissée sur une scène de crime.

L'appariement des bases

Justification. C'est une règle structurale établie par l'expérience, pas un théorème démontré: Chargaff avait mesuré les égalités de composition, et la diffraction des rayons X par des fibres d'ADN (les clichés de Rosalind Franklin) a donné les dimensions de l'hélice. La géométrie l'explique (figure 15.3): une purine face à une pyrimidine garde constant le diamètre de l'hélice, et seules A–T et G–C placent un donneur face à un accepteur à chaque position. La règle a des exceptions: appariements «bancals» dans l'ARN, erreurs de réplication.

Un ADN riche en G–C se sépare en ses deux brins (il se dénature) à plus haute température. Attribuer cela au seul nombre de liaisons hydrogène serait trop simple: dans l'eau, les bases en forment aussi avec le solvant, et la stabilité de l'hélice doit au moins autant à l'empilement des bases aromatiques, lui aussi plus favorable pour G–C. Le cours d'«ADN forensique» partira de ces propriétés: la dénaturation et le réappariement, la copie d'un brin par une polymérase selon la complémentarité (PCR), puis la lecture de régions où un court motif est répété un nombre de fois propre à chaque individu.

L'ATP

L'adénosine triphosphate (ATP) est un nucléotide dont le C5′ porte trois phosphates reliés par deux liaisons phosphoanhydride. Chimie générale (chapitre 9, Entropie et enthalpie libre, section «Le couplage de réactions») a montré comment son hydrolyse, ${\Delta }_r{G}^{\circ \prime }\approx -30,5\mathrm{kJ}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$, entraîne une réaction défavorable par un intermédiaire commun, et pourquoi «liaison riche en énergie» est trompeur: la liaison $\mathrm{P}-\mathrm{O}-\mathrm{P}$ n'a rien d'exceptionnel, ce sont les produits qui sont stabilisés (moindre répulsion des charges, meilleure solvatation, résonance du phosphate), et la cellule maintient le rapport ATP/ADP loin de l'équilibre. Le transfert d'un phosphate de l'ATP vers un alcool, catalysé par les , est une : l'alcool attaque, l'ADP part, comme dans une substitution acyle (chapitre 11, définition 11.2), mais sur un phosphore.

Les réactions du cours dans la cellule

Les enzymes réalisent les réactions de ce cours, dans l'eau, à 37 °C et à pH voisin de 7, en abaissant l'enthalpie libre d'activation sans changer la constante d'équilibre (chapitre 5, Réactions, mécanismes et intermédiaires).

La SAM porte son méthyle sur un soufre chargé positivement, excellent groupe partant (chapitre 6, Substitution nucléophile et élimination); l'inversion au carbone, invisible sur un méthyle, a été démontrée pour plusieurs méthyltransférases avec des méthyles rendus chiraux par marquage isotopique. Le NAD⁺ reçoit un ion hydrure sur l'une ou l'autre face de son pyridinium selon l'enzyme (faces Re et Si, chapitre 4); l'alcool déshydrogénase est celle du métabolisme de l'éthanol (chapitre 9, figure 9.2). Le PLP forme une imine avec l'acide aminé substrat, puis son azote pyridinium sert de puits d'électrons; les transaminases dosées dans le sang comme marqueurs hépatiques fonctionnent ainsi. L'acétyl-CoA est un thioester, plus réactif qu'un ester parce que le doublet du soufre se délocalise mal sur le carbonyle, et assez acide en α pour donner l'énolate qui attaque l'oxaloacétate dans la citrate synthase. Dans les protéases à sérine, l'histidine du site actif, de $\mathrm{p}{K}_a$ proche de 7, déprotone la sérine qui attaque l'amide; le chapitre 11 (définition 11.2) décrit l'intermédiaire tétraédrique qui suit, et l'aspirine qui acétyle une sérine de la cyclooxygénase.

Synthèse

• Un ose est un polyhydroxyaldéhyde ou -cétone; D/L se lit sur le carbone stéréogène le plus éloigné du carbonyle et ne se confond ni avec R/S ni avec le signe de rotation. En solution, le glucose est un hémiacétal cyclique dont le carbone anomérique est α ou β.
• La mutarotation du glucose ($+112,2$ ou $+18,7$ vers $+52,7$) donne 36,4 % d'α et 63,6 % de β ($K=1,75$, ${\Delta }_r{G}^{\circ }=-1,39$ kJ/mol). La chaise du β-D-glucopyranose a tous ses substituants équatoriaux; l' explique la forte part d'α.

Exercices

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Références

• Nelson, D. L. & Cox, M. M., Lehninger — Principes de biochimie, De Boeck/Flammarion ($\mathrm{p}{K}_a$ des acides aminés, glucides, lipides, acides nucléiques, mécanismes enzymatiques).
• Clayden, J., Greeves, N. & Warren, S., Chimie organique, De Boeck (hémiacétals, effet anomère, chimie des biomolécules).
• Vollhardt, K. P. C. & Schore, N. E., Traité de chimie organique, De Boeck (glucides, acides aminés, peptides et acides nucléiques).
• McMurry, J., Chimie organique — les grands principes (avec E. Simanek), Dunod (biomolécules et chimie du vivant).
• Arnaud, P., Jamart, B., Bodiguel, J. & Brosse, N., Chimie organique — les cours de Paul Arnaud, Dunod (oses, acides aminés, lipides).