Biochemistry

# La filiation et la structure des oses Cette section explore les mécanismes d'allongement et de raccourcissement des chaînes carbonées des oses, ainsi que leur représentation sous forme cyclique en solution [1](#page=1) [2](#page=2). ### 1.1 Filiation des aldoses La filiation des aldoses décrit les réactions permettant de relier les oses entre eux selon leur nombre d'atomes de carbone, permettant ainsi d'allonger ou de raccourcir une chaîne carbonée. Elle établit une relation "généalogique" entre les différents types d'oses (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.) [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode d'élongation de la chaîne carbonée d'un aldose. Elle se déroule en trois étapes principales : 1. **Addition de cyanure d'hydrogène (HCN)**: Le groupe aldéhyde (-CHO) de l'ose réagit avec le HCN. Le carbone du carbonyle devient asymétrique, portant désormais quatre groupes différents: -OH, -CN, -H, et le reste de la chaîne carbonée. Cette étape génère deux diastéréoisomères en raison de la stéréochimie possible du nouveau carbone asymétrique [1](#page=1). 2. **Hydrolyse du nitrile**: Le groupe nitrile (-CN) est hydrolysé en groupe acide carboxylique (-COOH) par addition d'eau et d'acide. L'azote est libéré sous forme d'ammoniac (NH₃). On obtient ainsi un acide aldonic [1](#page=1). 3. **Réduction de l'acide carboxylique**: L'acide carboxylique est réduit pour former un groupe aldéhyde (-CHO), allongeant ainsi la chaîne carbonée de l'ose d'un carbone. Le résultat est un nouvel aldose avec un carbone de plus [1](#page=1). > **Tip:** La synthèse de Kiliani-Fischer permet de passer d'un aldose de $n$ carbones à un aldose de $n+1$ carbones, produisant systématiquement un mélange racémique (deux énantiomères) à chaque élongation [1](#page=1). Le même mécanisme d'élongation s'applique aux cétoses, en commençant par des céto-trioses ou le dihydroxyacétone [1](#page=1). #### 1.1.2 Nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un aldose est calculé selon la formule $2^{n-2}$, où $n$ représente le nombre total d'atomes de carbone dans la molécule. Pour un aldose, $n-2$ est le nombre de carbones asymétriques (stéréocentres) [2](#page=2). * **Exemple pour un aldose**: Le glucose, un aldose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 formes D et 8 formes L) [2](#page=2). Le nombre d'isomères d'un cétose est calculé selon la formule $2^{n-3}$, où $n$ représente le nombre total d'atomes de carbone. Pour un cétose, $n-3$ est le nombre de carbones asymétriques [2](#page=2). * **Exemple pour un cétose**: Le fructose, un cétose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 formes D et 4 formes L) [2](#page=2). ### 1.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse, les oses contenant plus de quatre atomes de carbone adoptent préférentiellement une structure cyclique plutôt que linéaire. Cette cyclisation se produit par la formation d'un hémiacétal entre le groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) et un groupe hydroxyle (-OH) présent sur la même molécule [2](#page=2). #### 1.2.1 Formation de l'hémiacétal Le processus de cyclisation, également connu sous le nom de cyclisation selon Tollens, implique les étapes suivantes : 1. **Attaque nucléophile**: Le groupe hydroxyle (-OH) d'un carbone (souvent C5 pour les aldoses, ou C4 pour certains cétoses) attaque le carbone du groupe carbonyle (C1 pour un aldose, C2 pour un cétose) [2](#page=2). 2. **Fermeture du cycle**: Cette attaque conduit à la formation d'une liaison C-O, fermant ainsi le cycle. Le carbone du carbonyle, initialement impliqué dans une double liaison C=O, devient un carbone avec quatre groupes différents (hémiacétal) [2](#page=2). 3. **Carbone anomérique**: Le carbone qui était initialement le groupe carbonyle devient un nouveau centre stéréogène, appelé carbone anomérique [2](#page=2). > **Tip:** La formation de l'hémiacétal crée un nouveau centre chiral (le carbone anomérique), ce qui entraîne l'existence de deux isomères, appelés anomères $\alpha$ et $\beta$. #### 1.2.2 Types de cycles La taille du cycle formé dépend du groupe -OH qui participe à l'attaque : * **Cycle à 6 chaînons (pyranose)**: Si le groupe hydroxyle du carbone 5 (-OH en C5) attaque le groupe carbonyle, il se forme un cycle à 6 atomes (5 carbones et 1 oxygène). Ce type de cycle est appelé pyranose. Par exemple, le D-glucopyranose [2](#page=2). * **Cycle à 5 chaînons (furanose)**: Si le groupe hydroxyle du carbone 4 (-OH en C4) attaque le groupe carbonyle, il se forme un cycle à 5 atomes (4 carbones et 1 oxygène). Ce type de cycle est appelé furanose. Par exemple, le D-fructofuranose [2](#page=2). Le mécanisme est similaire pour les cétoses, où le groupe hydroxyle en position C5 ou C4 peut attaquer le carbonyle en C2, formant ainsi des cycles pyranose ou furanose respectivement [2](#page=2). --- # Représentation et propriétés des oses Cette section détaille la représentation cyclique des sucres par la projection de Haworth, la notion de carbone anomérique, ainsi que les propriétés physicochimiques des oses, incluant les réactions d'oxydation et de réduction. ### 2.1 Représentation des oses cycliques : la projection de Haworth La projection de Haworth est une méthode simplifiée pour représenter la structure tridimensionnelle des sucres cycliques. Elle permet de visualiser la disposition spatiale des groupes hydroxyles par rapport au cycle [3](#page=3). #### 2.1.1 Construction de la projection de Haworth Pour dessiner une projection de Haworth, on représente le cycle (pyranose, un cycle à 6 atomes) comme un anneau presque plat, avec l'atome d'oxygène du cycle souvent placé en haut à droite ou en haut à gauche. Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du carbone anomérique (C1) [3](#page=3). **Règles de conversion de la projection de Fischer à la projection de Haworth :** * Les groupes hydroxyle (–OH) situés à droite dans la projection de Fischer sont placés en bas du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes hydroxyles (–OH) situés à gauche dans la projection de Fischer sont placés en haut du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). #### 2.1.2 Le carbone anomérique Après la cyclisation, le carbone C1 (dans les aldoses) devient le centre anomérique. Ce carbone peut exister sous deux formes, distinguées par la position du groupe –OH [3](#page=3): * **Forme α (alpha)**: Le –OH du carbone anomérique est orienté vers le bas [3](#page=3). * **Forme β (bêta)**: Le –OH du carbone anomérique est orienté vers le haut [3](#page=3). #### 2.1.3 Conformation spatiale des oses Dans les solutions, les oses adoptent principalement deux conformations: chaise et bateau. La forme chaise est la plus stable, et c'est sous cette forme que se présentent la majorité des oses naturels [3](#page=3). ### 2.2 Propriétés physicochimiques des oses Les oses possèdent des propriétés physiques et chimiques distinctes. #### 2.2.1 Propriétés physiques * **Solubilité**: Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de la présence de nombreux groupements hydroxyles [4](#page=4). * **Pouvoir rotatoire spécifique**: En solution, les oses présentent un pouvoir rotatoire spécifique qui permet leur identification et leur dosage [4](#page=4). * **Thermodégradation**: Sous l'effet de la chaleur, les oses subissent une caramélisation [4](#page=4). #### 2.2.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses découlent principalement de la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) et des fonctions alcools, ainsi que de la fonction hémiacétalique dans les formes cycliques [4](#page=4). ##### 2.2.2.1 Propriétés dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) La présence d'une fonction aldéhyde ou cétone rend les oses réactifs. Ces propriétés sont notamment exploitées dans les réactions d'oxydation et de réduction. ###### 2.2.2.1.1 Oxydation L'oxydation des oses peut être réalisée chimiquement ou enzymatiquement. * **Oxydation enzymatique**: Un exemple est l'oxydation enzymatique du glucose par la glucose oxydase (GOD). Cette enzyme utilise le dioxygène (O₂) pour oxyder le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) [4](#page=4): $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ Dans cette réaction, le groupe aldéhyde (–CHO) du C1 du glucose est transformé en groupe acide carboxylique (–COOH) [4](#page=4). * **Oxydation chimique douce**: Elle consiste à oxyder spécifiquement le groupement aldéhyde (–CHO) du C1 en groupe acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres fonctions hydroxyles [4](#page=4). * **Réaction générale** : $$ \text{Aldose} \xrightarrow{\text{Oxydant doux}} \text{Acide aldonoïque} $$ * **Exemple**: L'oxydation du D-glucose conduit à l'acide D-gluconique [4](#page=4). * **Réactifs utilisés**: L'eau de brome (Br₂/H₂O) est un réactif couramment utilisé pour cette oxydation douce [5](#page=5). * **Oxydation chimique forte**: Réalisée avec des oxydants puissants comme l'acide nitrique (HNO₃), elle oxyde à la fois le groupement aldéhyde (–CHO) en C1 et l'alcool primaire (–CH₂OH) en C6 en groupes acides carboxyliques (–COOH). Le produit obtenu est un acide aldarique, possédant deux fonctions acide carboxylique [5](#page=5). * **Réaction générale** : $$ \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_n-\text{CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3, \Delta} \text{HOOC}-(\text{CHOH})_n-\text{COOH} $$ * **Exemple**: L'oxydation forte du D-glucose par l'acide nitrique conduit à l'acide D-glucarique (acide saccharique) [5](#page=5). * **Cas des cétoses**: L'oxydation forte des cétoses, qui possèdent une fonction cétone (–CO–) au lieu d'une fonction aldéhyde, provoque une coupure de la chaîne carbonée au niveau du carbone cétone, conduisant à la formation de deux acides plus courts. Par exemple, l'oxydation du D-fructose par HNO₃ peut donner de l'acide glycolique et de l'acide tartarique [6](#page=6). * **Oxydation par les sels de métaux lourds**: Des réactifs comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens utilisent des ions métalliques (Cu²⁺ ou Ag⁺) capables d'oxyder les oses en milieu basique et chauffé. Les ions métalliques sont réduits pendant cette réaction (réaction d'oxydo-réduction) [6](#page=6). * **Oses réducteurs**: Les aldoses (glucose, mannose, galactose) sont dits réducteurs car ils possèdent une fonction aldéhyde ou peuvent la régénérer en milieu basique (même à partir de la forme cyclique). Ils réduisent donc les ions Cu²⁺ en Cu⁺ et Ag⁺ en Ag [6](#page=6). * **Cétoses réducteurs indirectement**: Les cétoses, comme le fructose, ne possèdent pas de fonction aldéhyde. Cependant, en milieu basique, ils peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose) et sont donc également capables de réduire indirectement ces sels [6](#page=6). ###### 2.2.2.1.2 Réduction Les oses peuvent être réduits, généralement par des agents réducteurs forts comme le borohydrure de sodium (NaBH₄) ou le borohydrure de lithium (LiBH₄) [7](#page=7). * **Réduction des aldoses**: L'ion hydrure (H⁻) attaque le carbone du groupe carbonyle (–CHO). La double liaison C=O se transforme en C–OH, et un H est ajouté, formant un alcool primaire (–CH₂OH). Le produit final est un polyol (un alcool avec plusieurs fonctions –OH) [7](#page=7). * **Structure générale d'un aldose** : R–CHO * **Produit final** : R–CH₂OH (alcool primaire) * **Réduction des cétoses**: L'ion hydrure attaque le carbone du groupe cétone (–CO–). La double liaison C=O devient C–OH, et un H est ajouté, formant un alcool secondaire (–CHOH–). Le produit final est également un polyol, transformant le cétose en polyol [7](#page=7). * **Structure générale d'un cétose** : R₁–CO–R₂ * **Produit final** : R₁–CH(OH)–R₂ (alcool secondaire) > **Tip :** La compréhension de la représentation de Haworth est fondamentale pour visualiser la stéréochimie des sucres et prédire leurs réactions. La distinction entre les formes alpha et bêta du carbone anomérique est cruciale, notamment pour les réactions de polymérisation (formation de liaisons glycosidiques). > **Tip :** Les réactions d'oxydation et de réduction des oses sont très importantes en biochimie et en chimie organique. Elles permettent de modifier les fonctions des sucres et sont à la base de nombreuses voies métaboliques et de tests d'identification. Retenez bien la différence entre oxydation douce, forte, et celle utilisant les sels métalliques. --- # Réactions des oses et classification des osides Voici une synthèse détaillée et complète sur les réactions des oses et la classification des osides, conçue pour être un guide d'étude prêt pour un examen. ## 3. Réactions des oses et classification des osides Ce thème explore les réactions de condensation formant des liaisons glycosidiques, la classification des osides en holosides et hétérosides, ainsi que les réactions spécifiques dues aux fonctions alcools des oses comme l'estérification et la déshydratation. ### 3.1 Réactions de condensation des oses La condensation des oses permet la formation de liaisons glycosidiques, essentielles à la création de molécules glucidiques plus complexes comme les holosides et les hétérosides [8](#page=8). #### 3.1.1 Le principe général de la condensation La fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec le groupe –H d'un autre groupement (–OH, –NH₂, ou –H) pour former une liaison covalente, avec élimination d'une molécule d'eau (H₂O). Cette réaction est une déshydratation [8](#page=8). La liaison formée est appelée : * **Liaison glycosidique** si elle relie deux oses [8](#page=8). * **Hétéroside** si le partenaire de la condensation n'est pas un ose [8](#page=8). #### 3.1.2 Différents types de condensation * **Condensation avec un autre ose : formation d'un holoside** Lorsque le groupement R–OH est un autre sucre, la condensation conduit à la formation d'un disaccharide ou d'un polysaccharide [8](#page=8). * **Exemple:** Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + H₂O [8](#page=8). * **Produit:** Holoside (entièrement composé de sucres) [8](#page=8). * **Lien:** O-glycosidique, impliquant le carbone anomérique [8](#page=8). * **Condensation avec une molécule non sucrée : formation d'un hétéroside** Si le groupement R–H n'est pas un sucre, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple:** Un sucre réagit avec un alcool ou un phénol [8](#page=8). Glucose + R–H → O-hétéroside + H₂O [8](#page=8). * **Condensation avec une amine : formation d'un N-hétéroside** La condensation peut également se produire avec un groupement –NH₂ [8](#page=8). * **Exemple:** Sucre + Base azotée → N-glycoside [8](#page=8). * **Importance biochimique:** L'ADN et l'ARN contiennent des N-hétérosides, où le sucre (ribose ou désoxyribose) est lié à une base azotée [8](#page=8). ### 3.2 Réactions dues aux fonctions alcool des oses Les fonctions hydroxyles (–OH) des oses, caractéristiques des alcools, peuvent subir diverses réactions chimiques. #### 3.2.1 Estérification L'estérification est une réaction clé en biochimie, notamment dans le métabolisme énergétique. Elle consiste à faire réagir une fonction hydroxyle (–OH) d'un ose avec un acide (H–X) pour former un ester (R–O–X), avec élimination d'eau [9](#page=9). * **Principe général:** R–OH + H–X → R–O–X + H₂O [9](#page=9). * **Acides typiques impliqués avec les oses:** Acide phosphorique (H₃PO₄), acide sulfurique, acides carboxyliques [9](#page=9). * **Exemple concret : Formation du glucose 6-phosphate** * Réaction: Glucose + H₃PO₄ → Glucose 6-phosphate + H₂O [9](#page=9). * Explication: Le groupe –OH en position C6 du glucose réagit avec l'acide phosphorique. La réaction est la première étape de la glycolyse [9](#page=9). * **Observation:** L'estérification libère de l'eau, confirmant sa nature de réaction de condensation [9](#page=9). #### 3.2.2 Déshydratation en milieu acide La déshydratation des oses en milieu acide et à chaud est une réaction classique en chimie des sucres, conduisant à la formation de produits cycliques et aromatiques [10](#page=10). * **Principe général:** Sous l'action d'un acide fort et de la chaleur, une molécule d'ose perd des molécules d'eau (H₂O) [10](#page=10). * **Résultats :** * Cyclisation de l'ose [10](#page=10). * Formation d'un produit aromatique: furfural (à partir de pentoses) ou hydroxyméthylfurfural (HMF, à partir d'hexoses) [10](#page=10). * **Réactions schématiques :** * Ose → (acide fort + chaleur) Furfural / HMF + H₂O [10](#page=10). * **Types d'oses et produits formés :** * **Pentose (C5):** Donne du furfural. Exemple: Ribose → Furfural + 3 H₂O [10](#page=10). * **Hexose (C6):** Donne de l'hydroxyméthylfurfural (HMF). Exemple: Glucose → HMF + 3 H₂O [10](#page=10). ### 3.3 Classification des osides Un oside est une molécule glucidique complexe qui, par hydrolyse, libère soit plusieurs oses (identiques ou différents), soit des oses et une autre molécule non glucidique [11](#page=11). #### 3.3.1 Définition et classification générale | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :------------- | :---------------------------------------- | :------------------------------------------ | :-------------------------------- | | Holoside | Uniquement des oses | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + aglycone (partie non sucrée) | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + molécule non osidique | #### 3.3.2 Les holosides Les holosides sont formés exclusivement d'oses unis par une liaison osidique [11](#page=11). ##### 3.3.2.1 La liaison osidique La liaison osidique est une liaison covalente formée entre le carbone anomérique (généralement C1) d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose. La formation de cette liaison implique trois éléments clés [11](#page=11): 1. **Nature des oses liés :** Identité des sucres impliqués (ex: glucose + galactose). 2. **Forme cyclique des oses :** Cycle pyrane (6 atomes) ou furane (5 atomes). 3. **Configuration anomérique :** * $\alpha$ (alpha) : si le groupe –OH anomérique est en bas du plan. * $\beta$ (bêta) : si le groupe –OH anomérique est en haut du plan. ##### 3.3.2.2 Classification des holosides : oligosides et polyosides | Type | Description | Exemple | | :---------- | :---------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------- | | Oligosides | 2 à 10 oses | Maltose, Saccharose, Lactose | | Polyosides | >10 oses (Polysaccharides) | Amidon, Glycogène, Cellulose | Ces molécules servent souvent de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou de structure (cellulose) [11](#page=11). ##### 3.3.2.3 Diholosides réducteurs Un diholoside est dit réducteur si son carbone anomérique d'un des deux oses n'est pas engagé dans la liaison osidique. Ce carbone anomérique libre permet au diholoside de réduire les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling). Ces diholosides peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ en raison de cet anomère libre [11](#page=11). #### 3.3.3 Nomenclature générale des osides La nomenclature des osides reflète la présence ou l'absence d'une fonction hémiacétalique libre sur le carbone anomérique [12](#page=12). * **-ose:** L'ose a sa fonction hémiacétalique libre (sucre réducteur) [12](#page=12). * **-osyl:** L'ose a sa fonction hémiacétalique engagée dans la liaison osidique (premier ose du diholoside) [12](#page=12). * **-oside:** La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée (sucre non réducteur) [12](#page=12). ##### 3.3.3.1 Exemple 1 : Lactose (Diholoside réducteur) * **Composition:** 1 D-galactose + 1 D-glucose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** $\beta$(1 → 4). Le C1 du galactose se lie au C4 du glucose [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-galactopyranosyl ($\beta$ → 4)D-glucopyranose [12](#page=12). * **Caractère réducteur:** Le glucose conserve son C1 libre, donc le lactose est réducteur. Il peut être sous forme $\alpha$ ou $\beta$ [12](#page=12). ##### 3.3.3.2 Exemple 2 : Saccharose (Diholoside non réducteur) * **Composition:** 1 glucose + 1 fructose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** $\alpha$(1 → $\beta$ 2). Le C1 du glucose ($\alpha$) est lié au C2 du fructose ($\beta$) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl ($\alpha$ → $\beta$ 2)D-fructofuranoside [12](#page=12). * **Caractère non réducteur:** Les carbones anomériques C1 du glucose et C2 du fructose sont engagés; aucun n'est libre. C'est un sucre non réducteur. C'est le sucre de table [12](#page=12) [13](#page=13). ##### 3.3.3.3 Exemple 3 : Maltose (Diholoside réducteur) * **Composition:** 2 molécules de D-glucose [13](#page=13). * **Liaison osidique:** $\alpha$(1 → 4). Le C1 du premier glucose se lie au C4 du second glucose [13](#page=13). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl ($\alpha$ → 4)D-glucopyranose [13](#page=13). * **Caractère réducteur:** Le second glucose conserve son C1 libre, donc le maltose est réducteur. Il peut former des anomères $\alpha$ ou $\beta$. C'est un produit de la digestion de l'amidon ou du glycogène [13](#page=13). #### 3.3.4 Les polyosides (ou polysaccharides) Les polyosides sont de grands glucides complexes formés par la condensation de très nombreuses molécules d'oses (plusieurs centaines à milliers) via des liaisons O-glycosidiques. Ils jouent trois rôles principaux: réserve énergétique (amidon, glycogène), structural (cellulose, chitine), ou biologique spécifique (acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). ##### 3.3.4.1 Caractérisation des polyosides Les polyosides se distinguent par : 1. Le type d'oses constitutifs (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Le type de liaison osidique (position des carbones, $\alpha$ ou $\beta$) [14](#page=14). 3. La structure de la chaîne (linéaire ou ramifiée) [14](#page=14). ##### 3.3.4.2 Grandes familles de polyosides * **A. Les Homopolysides:** Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :---------------- | :-------------- | :-------------------------------------- | :---------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Ramifiée (amylopectine) / Linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | $\beta$(1→4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale) | **Remarque sur la notation des liaisons :** * $\alpha \rightarrow$ indique la configuration anomérique du premier ose (carbone 1 en position $\alpha$) [15](#page=15). * 1→4 indique que la liaison se fait entre le carbone 1 (C1) du premier ose et le carbone 4 (C4) du deuxième ose [15](#page=15). #### 3.3.5 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée de deux parties: une partie glucidique (un ou plusieurs oses) et une partie non glucidique appelée aglycone. Ces deux parties sont liées par une liaison osidique [15](#page=15). * **Structure générale:** Hétéroside = (Ose(s)) + Aglycone [15](#page=15). * **Formation de la liaison:** L'hydroxyle du carbone anomérique du sucre se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). ##### 3.3.5.1 Types d'hétérosides selon l'atome lié à l'aglycone | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où trouve-t-on ? | | :---------------- | :------------------------------------ | :------------------------------------ | :--------------------------------------------- | | O-hétéroside | Ose lié à un O (hydroxyle alcoolique) | Liaison ose–sérine (protéine) | Glycoprotéines | | N-hétéroside | Ose lié à un N (amine/base azotée) | Nucléosides (ex: adénosine) | ADN, ARN | | C-hétéroside | Ose lié à un C de l'aglycone | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | | S-hétéroside | Ose lié à un S (thiol -SH) | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | ##### 3.3.5.2 La nature de l'aglycone Les aglycones sont des groupements non glucidiques associés aux sucres [15](#page=15). | Type d'aglycone | Exemple | Rôle / Description | | :------------------- | :---------------------------------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------- | | Lipide + ose | Glycolipide | Composent la membrane cellulaire, reconnaissance entre cellules | | Protéine + ose | Protéoglycane (PG), Glycoprotéine (GP), Peptidoglycane | Structure, lubrification, reconnaissance, rôle hormonal, immunitaire, enzymatique | | Peptide + polysaccharide | Peptidoglycane | Paroi bactérienne (rigidité) | | Protéine + quelques oses | Glycoprotéine (GP) | Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques | | Fixation non enzymatique | Protéine glycosylée (ex: HbA1c) | Marqueurs biologiques (ex: glycémie à long terme) | ##### 3.3.5.3 Hétérosides et leurs rôles biologiques Les hétérosides contiennent une partie glucidique et une partie aglycone [16](#page=16). | Liaison | Type d'hétéroside | Exemple | Rôles dans la cellule | | :------------------ | :---------------- | :------------------------------------------ | :-------------------------------------------------------------------------------------- | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (ex: globules rouges) | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | Ces liaisons jouent des rôles cruciaux: identification cellulaire (glycolipides), communication (glycoprotéines), et stockage/transmission de l'information génétique (nucléosides → ADN/ARN) [16](#page=16). --- # Lipides : définition, propriétés et classification This section introduces the fundamental nature of lipids, their diverse structures, and how they are categorized based on their chemical composition and properties. ### 4.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques constitués principalement de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique définissante est leur insolubilité dans l'eau, un solvant polaire, mais leur solubilité dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène. Cette propriété découle de leur nature hydrophobe, signifiant qu'ils n'interagissent pas bien avec les molécules d'eau. La plupart des lipides sont formés par la combinaison d'acides gras et d'alcools, le glycérol étant un alcool fréquemment rencontré. La liaison entre un acide gras et un alcool forme un ester, qui est la base chimique de nombreux lipides comme les graisses et les huiles [17](#page=17). Outre les lipides contenant des acides gras, certains composés apparentés, tels que les stéroïdes (ex. cholestérol) et les vitamines liposolubles (vitamines A, D, E, K), sont également considérés comme des lipides en raison de leur caractère hydrophobe [17](#page=17). Les rôles principaux des lipides incluent : * **Isolement et protection des organes**: Ils forment une réserve de graisse dans le tissu adipeux, agissant comme une barrière isolante pour maintenir la température corporelle et comme un amortisseur mécanique pour protéger les organes vitaux [17](#page=17). ### 4.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories principales: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 4.2.1 Lipides simples (homolipides) Ces lipides sont composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent généralement de la réaction d'estérification entre des acides gras et un alcool [19](#page=19) [29](#page=29). * **Glycérides (ou acylglycérols)**: L'alcool est le glycérol (propane-1,2,3-triol). Ils peuvent être mono-, di- ou triacylglycérols, selon le nombre d'acides gras liés au glycérol (#page=19, 30). Les triglycérides sont les graisses et huiles alimentaires et corporelles, servant principalement de réserve d'énergie (#page=19, 31) [19](#page=19) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Cérides**: L'alcool est un alcool à longue chaîne (16 à 30 carbones). Ils forment les cires, qui protègent et imperméabilisent la peau, les feuilles ou les plumes (#page=19, 37) [19](#page=19) [37](#page=37). * **Stérides**: L'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Ils forment des esters de cholestérol, jouant un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol (#page=19, 32) [19](#page=19) [32](#page=32). #### 4.2.2 Lipides complexes (hétérolipides) Ces lipides contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, des éléments tels que le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Glycérophospholipides**: Ils contiennent du glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate, et souvent un autre groupe alcool (#page=19, 38). Ils sont cruciaux pour la structure des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Sphingolipides**: Ils sont constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont particulièrement présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline (#page=19, 44) [19](#page=19) [44](#page=44). * **Glycolipides**: Formés d'un lipide lié à un glucide (sucre). Ils sont situés à la surface des membranes cellulaires et jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire (#page=19, 47) [19](#page=19) [47](#page=47). ### 4.3 Les acides gras #### 4.3.1 Définition et structure Les acides gras sont des acides monocarboxyliques possédant une fonction acide carboxylique (–COOH), qui est polaire et hydrophile, et un radical R, qui est une longue chaîne hydrocarbonée apolaire et hydrophobe. Ils peuvent être représentés par la formule générale R–COOH [20](#page=20). > **Tip** : La double nature (hydrophile/hydrophobe) des acides gras leur permet de former des structures comme les micelles ou les membranes biologiques. Caractéristiques communes des acides gras : * Chaîne carbonée linéaire et non ramifiée dans la majorité des cas [20](#page=20). * Nombre pair de carbones, généralement entre 14 et 24 dans les acides gras naturels, car ils sont synthétisés à partir d'unités de 2 carbones [20](#page=20). * Degré d'insaturation: ils peuvent être saturés (aucune double liaison) ou insaturés (une ou plusieurs doubles liaisons) [20](#page=20). * Ils peuvent exister sous différentes formes, notamment linéaires, ramifiées ou cycliques [20](#page=20). * Ils ne sont pas hydrolysables en sous-unités plus petites par hydrolyse simple, contrairement aux lipides complexes [20](#page=20). Dans l'eau à pH physiologique (~7,4), le groupement carboxyle ionise en carboxylate (–COO⁻), devenant chargé négativement et augmentant l'hydrophilie de cette partie de la molécule [20](#page=20). #### 4.3.2 Classification des acides gras Les acides gras peuvent être classés selon la présence ou l'absence de doubles liaisons et selon leur nombre de carbones [21](#page=21). ##### 4.3.2.1 Acides gras saturés Ce sont des acides gras dont la chaîne carbonée est entièrement saturée en hydrogène, sans double liaison C=C. Leur formule générale est CₙH₂ₙ₊₁COOH ou CₙH₂ₙO₂. Ils sont souvent linéaires avec un nombre pair de carbones et abondants dans les graisses animales [21](#page=21). * **Acides gras saturés représentatifs** : * Acide palmitique (C16:0): 16 carbones, présent dans les graisses animales et l'huile de palme [21](#page=21). * Acide stéarique (C18:0): 18 carbones, présent dans les graisses animales et le chocolat [21](#page=21). * Acide butyrique (C4:0): 4 carbones, dans le beurre et le métabolisme bactérien [21](#page=21). * Acide lignocérique (C24:0): 24 carbones, dans les lipides du tissu nerveux [21](#page=21). La numérotation de la chaîne carbonée commence à partir du carbone du groupement carboxyle (C1) [21](#page=21). ##### 4.3.2.2 Acides gras insaturés Ces acides gras possèdent au moins une double liaison entre les carbones de leur chaîne. Leur formule générale est CₙH₂ₙ₋₂ₓO₂, où x est le nombre de doubles liaisons. La première double liaison se situe généralement entre C9 et C10, et elles sont souvent séparées par des groupements méthylènes (–CH₂–) [22](#page=22). * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Possèdent une seule double liaison, fréquemment entre C9 et C10. L'acide oléique (C18:1Δ9) en est un exemple, présent dans l'huile d'olive (#page=22, 23) [22](#page=22) [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Possèdent plusieurs doubles liaisons, séparées par des groupements méthylènes. Les acides linoléique (C18:2Δ9,12) et alpha-linolénique (C18:3Δ9,12,15) sont des exemples essentiels qui doivent être apportés par l'alimentation. Ils jouent un rôle dans la fluidité membranaire et la production de médiateurs chimiques [23](#page=23). La nomenclature $\Delta$ (delta) indique la position de la double liaison à partir du groupe carboxyle, tandis que la nomenclature $\omega$ (oméga) l'indique à partir du groupe méthyle terminal (CH₃) [23](#page=23). #### 4.3.3 Configurations des doubles liaisons La présence d'une double liaison C=C induit une rigidité dans la chaîne carbonée. * **Configuration Cis**: Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cela crée un coude ou un pli dans la chaîne, empêchant un empaquetage serré et rendant les acides gras liquides [24](#page=24). * **Configuration Trans**: Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne est presque linéaire, ressemblant à celle des acides gras saturés, ce qui rend les acides gras solides [24](#page=24). #### 4.3.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés des acides gras dépendent de la longueur de leur chaîne carbonée et de leur degré d'insaturation [26](#page=26). * **Solubilité dans l'eau** : * La partie hydrophile (–COOH) aime l'eau, tandis que la partie hydrophobe (chaîne hydrocarbonée) la repousse (#page=20, 26) [20](#page=20) [26](#page=26). * Plus la chaîne hydrocarbonée est longue, plus la partie hydrophobe domine, et moins l'acide gras est soluble [26](#page=26). * Les acides gras à chaîne courte (C4-C6) sont solubles dans l'eau, tandis que ceux à chaîne longue (> C10) sont pratiquement insolubles [26](#page=26). * La présence de doubles liaisons augmente légèrement la solubilité car elle gêne l'empilement des molécules [26](#page=26). * **Masse volumique**: Les acides gras ont une masse volumique inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 à 0,95 g/cm³), ce qui explique pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). * **Point de fusion** : * **Longueur de la chaîne carbonée**: Plus la chaîne est longue, plus les molécules s'attachent fortement entre elles, nécessitant plus de chaleur pour fondre, donc le point de fusion augmente. Les chaînes courtes sont liquides à température ambiante, les chaînes longues sont solides [27](#page=27). * **Degré d'insaturation**: Chaque double liaison crée une "cassure" dans la chaîne, empêchant l'emboîtement serré des molécules. Moins les molécules peuvent s'emboîter, plus elles fondent facilement, donc plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas [27](#page=27). #### 4.3.5 Propriétés chimiques des acides gras Les réactions chimiques des acides gras sont dues soit à la fonction acide carboxylique, soit à la présence de doubles liaisons [27](#page=27). * **Réactions dues à la fonction acide (–COOH)** : * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (NaOH ou KOH) produit un sel d'acide gras (savon) et de l'eau [27](#page=27). $$ \text{R–COOH + NaOH} \longrightarrow \text{R–COO⁻Na⁺ + H₂O} $$ La partie R–COO⁻ est hydrophobe, tandis que Na⁺ est hydrophile, conférant au savon ses propriétés détergentes [27](#page=27). * **Estérification**: La réaction d'un acide gras avec un alcool forme un ester et de l'eau. Cette réaction est fondamentale pour la formation des glycérides, par exemple, où trois acides gras estérifient un glycérol (#page=28, 29) [28](#page=28) [29](#page=29). $$ \text{R–COOH + R'–OH} \longrightarrow \text{R–COO–R' + H₂O} $$ * **Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C)**: Ces réactions concernent uniquement les acides gras insaturés [28](#page=28). * **Hydrogénation**: L'ajout d'hydrogène (H₂) sur les doubles liaisons supprime ces dernières, transformant un acide gras insaturé en acide gras saturé. C'est ainsi que les huiles végétales liquides peuvent être transformées en graisses solides (margarine) [28](#page=28). $$ \text{CH₂=CH–CH=CH–CH} + \text{H₂} \longrightarrow \text{CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂} $$ * **Oxydation**: L'oxydation d'un acide gras insaturé (par exemple, avec KMn₄) rompt la double liaison et conduit à la formation de deux acides carboxyliques. Cette réaction explique le rancissement des graisses [28](#page=28). $$ \text{R–CH=CH–R'–COOH + KMnO₄} \longrightarrow \text{R–COOH + HOOC–R'–COOH} $$ ### 4.4 Les lipides simples Les lipides simples, ou homolipides, sont des molécules composées exclusivement de C, H et O, formées par réaction d'estérification entre un alcool et un ou plusieurs acides gras [29](#page=29). #### 4.4.1 Glycérides (Acylglycérols) Ce sont des esters formés entre le glycérol et des acides gras. Le glycérol est un triol, capable de réagir avec 1, 2 ou 3 acides gras pour former respectivement des mono-, di-, ou triglycérides [30](#page=30). * **Types de glycérides** : * **Monoglycérides**: 1 acide gras + 1 glycérol. Intermédiaires digestifs, amphipathiques [30](#page=30). * **Diglycérides**: 2 acides gras + 1 glycérol. Intermédiaires métaboliques, amphipathiques [30](#page=30). * **Triglycérides**: 3 acides gras + 1 glycérol. Graisses et huiles, très hydrophobes [30](#page=30). Les glycérides peuvent être **simples** (tous les acides gras identiques) ou **mixtes** (acides gras différents) [30](#page=30). * **Propriétés physiques** : * Les mono- et diglycérides sont amphipathiques [30](#page=30). * Les triglycérides sont totalement hydrophobes, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques [30](#page=30). * Le point de fusion des triglycérides dépend des acides gras: les acides gras saturés mènent à des solides (graisses), tandis que les insaturés mènent à des liquides (huiles) [31](#page=31). * **Propriétés chimiques** : * **Hydrolyse acide ou enzymatique**: Les triglycérides sont hydrolysés en glycérol et 3 acides gras, processus essentiel à la digestion par les lipases [31](#page=31). * **Hydrolyse alcaline (saponification)**: Réaction utilisée pour fabriquer des savons [31](#page=31). * **Rôles des triglycérides** : * **Rôle énergétique**: Principale forme de stockage d'énergie (environ 9 kcal/g), plus dense que le glycogène [31](#page=31). * **Isolation thermique**: Le tissu adipeux sous-cutané protège contre le froid [31](#page=31). * **Protection mécanique**: Le tissu adipeux entoure les organes vitaux [31](#page=31). * **Rôle physiopathologique**: Un excès peut conduire à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [32](#page=32). #### 4.4.2 Cérides (Cires) Les cérides sont formés par l'estérification d'un acide gras avec un alcool gras à longue chaîne. Ils possèdent une longue chaîne hydrocarbonée hydrophobe et une liaison ester [37](#page=37). * **Exemple**: Le palmitate de cétyle, formé par la réaction de l'acide palmitique avec l'alcool cétylique, est une cire naturelle [37](#page=37). * **Propriétés physiques** : * Solides à température ambiante en raison de l'empilement de leurs longues chaînes carbonées, entraînant un point de fusion élevé [37](#page=37). * Très hydrophobes et insolubles dans l'eau [37](#page=37). * **Rôle**: Protection et imperméabilisation contre l'eau et les agents extérieurs (#page=19, 37) [19](#page=19) [37](#page=37). #### 4.4.3 Stérides Les stérides sont des esters formés entre un stérol (comme le cholestérol) et un acide gras (#page=32, 29) [29](#page=29) [32](#page=32). * **Structure générale**: R–COO–Cholestérol [32](#page=32). * **Rôle**: Forme de stockage et de transport du cholestérol dans l'organisme [29](#page=29). ### 4.5 Les stéroïdes et stérols La famille des stéroïdes est caractérisée par la présence du noyau stérane, composé de quatre cycles accolés (trois cycles hexagonaux et un cycle pentagonal). Cette structure rigide est commune à de nombreux composés biologiques importants [33](#page=33). #### 4.5.1 Le cholestérol Le cholestérol est un stérol (C₂₇H₄₆) possédant une fonction alcool (–OH). Il est un constituant majeur des membranes cellulaires, stabilisant leur fluidité et leur perméabilité. Il sert également de précurseur pour la synthèse d'autres composés essentiels [33](#page=33). * **Rôles du cholestérol** : * Précurseur de: acides biliaires, vitamine D, hormones stéroïdiennes [33](#page=33). * Forme de stockage et de transport (sous forme d'ester de cholestérol) [33](#page=33). #### 4.5.2 Dérivés du cholestérol * **Acides biliaires**: Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils sont stockés dans la vésicule biliaire et ont pour fonction d'émulsifier les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion. Il existe des acides biliaires primaires (fabriqués par le foie) et secondaires (transformés par la flore intestinale) [34](#page=34). * **Vitamine D**: Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des rayons UV, elle est essentielle à la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes**: Hormones produites à partir du cholestérol, possédant le noyau stérane. Elles sont fabriquées par différentes glandes et exercent des fonctions variées [35](#page=35). * **Glucocorticoïdes** (ex. cortisol): Régulent le métabolisme du glucose, anti-inflammatoires et immunomodulateurs [35](#page=35). * **Minéralocorticoïdes** (ex. aldostérone): Contrôlent la quantité de sodium (Na⁺) et d'eau dans le sang, régulant ainsi la pression artérielle [36](#page=36). * **Androgènes** (ex. testostérone): Hormones mâles, stimulent la spermatogenèse, la croissance musculaire et osseuse, et le développement des caractères sexuels secondaires [36](#page=36). * **Œstrogènes** (ex. estradiol): Hormones féminines, développent les organes génitaux externes, stimulent l'endomètre, et déterminent les caractères sexuels secondaires féminins [36](#page=36). * **Progestatifs** (ex. progestérone): Préparent l'utérus à la nidation et maintiennent la grossesse [36](#page=36). ### 4.6 Les lipides complexes Les lipides complexes sont des molécules composées d'acides gras et d'autres groupes chimiques tels que le phosphate ou des sucres. Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques. Il existe trois grandes familles: les glycérophospholipides, les sphingolipides et les glycérogluco-lipides [38](#page=38). #### 4.6.1 Glycérophospholipides Ce sont les lipides complexes les plus importants chez l'homme. Leur structure de base est l'acide phosphatidique, formé de glycérol, deux acides gras (souvent un saturé et un insaturé), et un acide phosphorique fixé sur le carbone C3 du glycérol [38](#page=38). * **Structure**: L'ajout d'un alcool (HO–X) sur le phosphate forme un glycérophospholipide. Ils possèdent une tête polaire (glycérophosphate + alcool) hydrophile et deux queues apolaires (acides gras) hydrophobes (#page=39, 40, 43) [39](#page=39) [40](#page=40) [43](#page=43). * **Amphiphilie**: Leur nature amphiphile leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires, avec les têtes hydrophiles vers l'extérieur et les queues hydrophobes au centre (#page=40, 43, 44) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Variété**: Les propriétés des glycérophospholipides dépendent de la nature de l'alcool fixé au phosphate, donnant lieu à différentes classes comme la phosphatidylcholine, la phosphœthanolamine, la phosphatidylsérine et le phosphatidylinositol. La cardiolipine, constituée de deux acides phosphatidiques liés par du glycérol, est un exemple spécifique trouvable dans la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). #### 4.6.2 Sphingolipides Contrairement aux glycérophospholipides, les sphingolipides n'ont pas de glycérol dans leur squelette. Ce dernier est formé par une molécule appelée sphingosine. La sphingosine est un amino-dialcool à 18 carbones avec une double liaison trans, une fonction amine (–NH₂) et deux fonctions alcool (–OH) [44](#page=44). * **Formation du céramide**: La fonction amine de la sphingosine se lie à un acide gras par une liaison amide, formant le céramide, la base des sphingolipides. Cette liaison amide est forte et stable [45](#page=45). * **Familles de sphingolipides** : * **Sphingophospholipides (ou sphingomyélines)**: Le céramide est lié à un acide phosphorique et à un alcool (comme la choline ou l'éthanolamine) par une liaison ester phosphorique. Ils sont présents dans les membranes plasmiques, surtout dans les cellules nerveuses, et abondants dans la gaine de myéline. Une enzyme, la sphingomyélinase, hydrolyse la sphingomyéline; sa défaillance cause des maladies lysosomales comme la maladie de Niemann-Pick [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres au niveau du carbone 1, et ils sont sans phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides**: Liés à un seul ose, trouvés dans le tissu nerveux et les membranes [47](#page=47). * **Gangliosides (ou Oligosylcéramides)**: Liés à plusieurs oses, y compris souvent un acide sialique. Ils sont abondants dans les neurones du cerveau et jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et l'interaction avec certaines toxines ou virus. Le ganglioside GM1, par exemple, est impliqué dans la reconnaissance neuronale et sert de point d'entrée à la toxine cholérique [47](#page=47). --- # Structure, propriétés et classification des acides aminés Voici une synthèse sur la structure, les propriétés et la classification des acides aminés, destinée à servir de guide d'étude complet pour les examens. ## 5. Structure, propriétés et classification des acides aminés Ce chapitre explore la nature fondamentale des acides aminés, leurs caractéristiques structurelles, la manière dont ils sont classifiés, leurs propriétés physicochimiques distinctives et leurs diverses fonctions au sein des organismes vivants. ### 5.1 Définition et structure générale des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les briques élémentaires constituant les protéines. Une protéine est une longue chaîne d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Il existe plus de 300 acides aminés connus, mais seulement 20 sont standard et utilisés par l'organisme pour la synthèse protéique; ils sont appelés acides aminés protéinogènes ou standards. Les autres sont qualifiés de non protéinogènes [48](#page=48) [49](#page=49). La structure de base d'un acide aminé est la suivante : ``` H | NH₂ —C —COOH | R ``` Les éléments clés sont : * **Groupe amine (NH₂)**: C'est une fonction basique, capable de capter un proton (H⁺). Il est aussi appelé extrémité N-terminale [49](#page=49). * **Groupe carboxylique (COOH)**: C'est une fonction acide, capable de libérer un proton (H⁺). Il est aussi appelé extrémité C-terminale [49](#page=49). * **Atome d'hydrogène (H)**: Il est lié au carbone central [49](#page=49). * **Radical (R) ou chaîne latérale**: Il varie d'un acide aminé à l'autre et détermine l'identité de l'acide aminé [49](#page=49). * **Carbone central (Cα)**: Il est aussi appelé carbone alpha. Il est lié aux quatre éléments mentionnés ci-dessus [49](#page=49). #### 5.1.1 Chiralité et stéréoisomérie Le carbone alpha (Cα) est généralement asymétrique (lié à quatre groupes différents), ce qui rend la plupart des acides aminés chiraux, sauf la glycine où R=H. Les acides aminés chiraux existent sous deux formes images miroir, non superposables, appelées énantiomères: la forme L (lévogyre) et la forme D (dextrogyre). Dans les protéines humaines, seuls les acides aminés de la série L sont utilisés [49](#page=49) [71](#page=71). ### 5.2 Classification des acides aminés #### 5.2.1 Essentiels et non essentiels Les acides aminés sont classifiés selon leur capacité à être synthétisés par l'organisme : * **Acides aminés essentiels (ou indispensables)**: L'organisme ne peut pas les fabriquer et ils doivent être apportés par l'alimentation. Leur manque bloque la synthèse protéique [50](#page=50). * Les 8 acides aminés essentiels chez l'homme sont: Arginine*, Histidine*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, Valine [50](#page=50). * L'Arginine et l'Histidine sont dites semi-essentielles, particulièrement importantes chez l'enfant en croissance [50](#page=50). * **Acides aminés non essentiels (ou dispensables)**: L'organisme peut les synthétiser lui-même à partir d'autres composés métaboliques (glucose, acides gras, etc.) [50](#page=50). * Les acides aminés non essentiels sont: Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, Tyrosine [50](#page=50). * L'Arginine et l'Histidine peuvent également être considérés comme non essentiels selon le contexte physiologique [50](#page=50). #### 5.2.2 Fonctions diverses des acides aminés Au-delà de leur rôle structural dans les protéines, les acides aminés remplissent diverses fonctions métaboliques : * **Structural**: Composants des protéines [51](#page=51). * **Énergétique**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou former du glucose (néoglucogenèse) [51](#page=51). * **Métabolique / Précurseur**: Servent à former d'autres molécules métaboliques importantes. Par exemple, la tyrosine est un précurseur des hormones thyroïdiennes et de la dopamine [51](#page=51). * **Signalisation / Récepteur**: Certains agissent comme neurotransmetteurs (ex: glutamate) [51](#page=51). #### 5.2.3 Classification selon la structure de la chaîne latérale (R) Cette classification est la plus détaillée et permet de comprendre les propriétés physicochimiques des acides aminés. **5.2.3.1 Acides aminés aliphatiques** Ce groupe regroupe des acides aminés dont la chaîne latérale R est composée d'atomes de carbone et d'hydrogène, sans cycles aromatiques ou polaires. Ils sont généralement hydrophobes [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques simples** : * **Glycine (Gly, G)**: La chaîne latérale R est un simple atome d'hydrogène (R=H). C'est le plus simple des acides aminés. Son Cα n'est pas asymétrique, donc elle n'est pas chirale. Sa petite taille confère une grande flexibilité aux protéines [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)**: La chaîne latérale R est un groupe méthyle (R=CH₃). Elle est petite et hydrophobe [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques ramifiés**: Leur chaîne carbonée R est divisée en plusieurs branches, les rendant volumineux et très hydrophobes [52](#page=52). * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂ (forme de "V") [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Isomère de la leucine [52](#page=52). **5.2.3.2 Acides aminés hydroxylés** Leur chaîne latérale R contient un groupe hydroxyle (–OH), ce qui les rend polaires et hydrophiles [53](#page=53). * **Sérine (Ser, S)**: R = –CH₂–OH. Le groupe –OH est porté par un carbone primaire. Elle est hydrophile, peut former des liaisons hydrogène et peut être phosphorylée (ajout d'un groupe phosphate). La phosphorylation est un mécanisme de régulation important. La sérine est impliquée dans la réponse aux dommages de l'ADN, souvent en tant que site de phosphorylation par des kinases comme ATM [53](#page=53) [54](#page=54). * **Thréonine (Thr, T)**: Similaire à la sérine, avec un groupe –OH dans sa chaîne latérale [53](#page=53). **5.2.3.3 Acides aminés soufrés** Leur chaîne latérale contient un atome de soufre (S) [55](#page=55). * **Cystéine (Cys, C)**: R = –CH₂–SH. Contient un groupe thiol (–SH). Le groupe thiol est très réactif et peut former des ponts disulfure (–S–S–) entre deux cystéines (formant la cystine), stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. Les cheveux et les ongles en contiennent beaucoup [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)**: Contient un groupe thioéther (–S–CH₃). Moins réactif que le thiol de la cystéine. Elle est le premier acide aminé de toute protéine et est essentielle pour la synthèse protéique. Elle peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), une forme activée agissant comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions, notamment la méthylation de l'ADN. La méthylation de l'ADN est un mécanisme épigénétique qui régule l'expression des gènes [56](#page=56). **5.2.3.4 Acides aminés acides et amides** Ce groupe possède un groupe carboxyle (-COOH) ou un amide (-C NH₂) dans leur chaîne latérale [57](#page=57). * **Acides aminés acides** : Contiennent un groupe carboxyle supplémentaire dans R, les rendant acides. * **Acide aspartique (Asp, D)**: R = –CH₂–COOH. Il possède deux groupes carboxyles. Il est impliqué dans la synthèse de l'urée et sert de précurseur dans la transamination. Il est essentiel au cycle de l'urée pour éliminer l'ammoniac toxique [57](#page=57) [59](#page=59). * **Acide glutamique (Glu, E)**: R = –CH₂–CH₂–COOH. Similaire à l'acide aspartique [57](#page=57). * **Amides dérivés** : Dérivés des acides aspartique et glutamique, où le groupe –COOH de la chaîne latérale est remplacé par –C NH₂. * **Asparagine (Asn, N)**: Dérive de l'aspartate [60](#page=60). * **Glutamine (Gln, Q)**: Dérive du glutamate. Les amides sont solubles et servent au transport de l'azote sous forme non toxique dans l'organisme [60](#page=60). **5.2.3.5 Acides aminés basiques (dibeaux)** Ils possèdent deux fonctions basiques dans leur structure, leur conférant une charge positive à pH physiologique [61](#page=61). * **Lysine (Lys, K)**: R contient un groupe ε-amino (–NH₂). Elle participe aux protéines structurales comme le collagène. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, importante pour la stabilité du collagène [61](#page=61) [62](#page=62). * **Arginine (Arg, R)**: R contient un groupement guanidyle, plus basique que celui de la lysine. Elle est un précurseur de l'urée dans le cycle de l'urée. Elle est aussi transformée en oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire impliqué dans la vasodilatation [63](#page=63). * **Histidine (His, H)**: R contient un groupement imidazole. Ce groupement a un pKa proche du pH physiologique, ce qui permet à l'histidine d'agir comme tampon biologique, stabilisant le pH dans les protéines comme l'hémoglobine. L'histidine est indispensable pendant la croissance. Elle est souvent impliquée dans les sites actifs des enzymes [62](#page=62). **5.2.3.6 Acides aminés aromatiques** Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique ou des cycles aromatiques. Ces cycles les rendent stables, capables d'absorber les UV et généralement hydrophobes. Ils sont précurseurs de molécules essentielles [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe, F)**: R est un groupe phényle (cycle benzénique). Elle est indispensable et très hydrophobe. Elle peut être hydroxylée en tyrosine [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: R est un groupe phénol (cycle benzénique avec un –OH). Elle est semi-essentielle. C'est un précurseur des hormones thyroïdiennes, des neurotransmetteurs (adrénaline, dopamine) et de la mélanine [50](#page=50) [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W)**: R est un groupe indole (double cycle aromatique avec un azote). Il est indispensable [50](#page=50) [65](#page=65). **5.2.3.7 Acides imino** * **Proline (Pro, P)**: La proline est unique car son groupe amine n'est pas primaire mais secondaire, étant intégré dans un cycle avec sa chaîne latérale. Ceci lui confère une structure rigide et joue un rôle essentiel dans la structure des protéines, notamment le collagène. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle, nécessitant de la vitamine C [66](#page=66). ### 5.3 Propriétés physicochimiques des acides aminés #### 5.3.1 Polarité et solubilité La polarité d'une molécule dépend de la répartition des charges électriques. Une molécule polaire interagit avec l'eau (hydrophile), tandis qu'une molécule non polaire est hydrophobe [67](#page=67). Les acides aminés sont classifiés selon la polarité de leur chaîne latérale R : * **Non polaire (hydrophobe)**: Insensible à l'eau, tend à se rassembler au centre des protéines. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Polaire mais sans charge nette à pH physiologique. Soluble dans l'eau, peut former des liaisons hydrogène. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable**: Charge nette positive ou négative selon le pH. Très soluble [70](#page=70). * **Acides** (chargés négativement à pH physiologique): Asp, Glu [70](#page=70). * **Basiques** (chargés positivement à pH physiologique): Lys, Arg, His [70](#page=70). #### 5.3.2 Chiralité et pouvoir rotatoire Comme mentionné précédemment, la plupart des acides aminés sont chiraux et existent sous forme d'énantiomères L et D. Le pouvoir rotatoire est la capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Les énantiomères L et D ont les mêmes propriétés chimiques ordinaires mais des propriétés biologiques différentes car les systèmes biologiques (enzymes, récepteurs) sont chiraux. Les organismes vivants utilisent principalement les acides aminés de la série L. La notation D/L indique la configuration spatiale (par rapport au glycéryldéhyde), tandis que +/- indique le sens de rotation de la lumière polarisée [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.3.3 Absorption UV Certains acides aminés, notamment ceux possédant un noyau aromatique (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane), absorbent la lumière UV (entre 260 et 280 nm). L'intensité de l'absorption est proportionnelle à leur concentration (ou celle des protéines qui les contiennent), permettant leur dosage par spectrophotométrie UV [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.3.4 Comportement en fonction du pH Les acides aminés sont **amphotères**: ils peuvent agir comme un acide (donneur de H⁺) et comme une base (accepteur de H⁺) grâce à leurs groupes –COOH et –NH₂ ionisables [74](#page=74). * **En milieu acide (pH faible)**: Le groupe amine capte un H⁺ (devient –NH₃⁺) et le groupe carboxyle reste –COOH. La molécule a une charge globale positive [74](#page=74). * **En milieu neutre (pH ≈ 7)**: Le groupe carboxyle perd un H⁺ (devient –COO⁻) et le groupe amine reste –NH₃⁺. La molécule est un **zwitterion**, portant des charges opposées mais une charge globale nulle [74](#page=74). * **En milieu basique (pH élevé)**: Le groupe amine perd un H⁺ (devient –NH₂) et le groupe carboxyle reste –COO⁻. La molécule a une charge globale négative [74](#page=74). Chaque fonction ionisable possède un pKa. Le **pHi** (point isoélectrique) est le pH auquel la molécule existe majoritairement sous forme zwitterionique, avec une charge nette nulle. Le pHi peut être calculé à partir des pKa des groupes ionisables du groupement R, du groupe carboxyle (pK₁) et du groupe amine (pK₂) [75](#page=75). Cette propriété permet de séparer les acides aminés par électrophorèse : * Si pH < pHi, l'AA est positif et migre vers la cathode (pôle négatif). * Si pH > pHi, l'AA est négatif et migre vers l'anode (pôle positif). * Si pH = pHi, l'AA ne migre pas. ### 5.4 Réactions chimiques des acides aminés Les acides aminés peuvent subir diverses réactions : * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂, catalysée par des décarboxylases. Elle produit des amines biologiquement actives. Par exemple, l'histidine est décarboxylée en histamine [76](#page=76). * **Amidation**: Réaction entre un groupe carboxyle et un groupe amine pour former un amide et de l'eau. C'est la base de la formation des liaisons peptidiques [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction d'un acide carboxylique avec un alcool pour former un ester. Utilisée pour protéger temporairement les groupes COOH en synthèse [77](#page=77). * **Déamination oxydative**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), catalysée par des déshydrogénases. Elle transforme un acide aminé en acide α-cétonique. Les acides α-cétoniques peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie ou servir de précurseurs biosynthétiques [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert réversible d'un groupe amine d'un acide aminé vers un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases (ou aminotransférases) avec le phosphate de pyridoxal (PLP) comme coenzyme. Cela permet la synthèse et la dégradation des acides aminés sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Réactions et identification des acides aminés et peptides Ce thème explore les réactions chimiques spécifiques des acides aminés et les méthodes utilisées pour leur identification et leur quantification, ainsi que la structure, la nomenclature et les techniques de détermination de la séquence des peptides. ### 6.1 Réactions des acides aminés Les acides aminés subissent diverses réactions chimiques, soit au niveau de leur squelette commun (groupe amine, groupe carboxyle, carbone α), soit au niveau de leurs chaînes latérales R. #### 6.1.1 Décarboxylation La décarboxylation est la perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), catalysée par des enzymes appelées décarboxylases. Cette réaction conduit à la formation d'une amine. Exemple physiologique: la décarboxylation de l'histidine conduit à la formation de l'histamine, un médiateur important dans les réponses allergiques et l'inflammation [76](#page=76). > **Tip:** Les amines physiologiquement actives formées par décarboxylation peuvent agir comme neurotransmetteurs ou messagers chimiques. #### 6.1.2 Amidation L'amidation consiste à remplacer un groupe carboxyle (–COOH) par un groupe amide. Cette réaction est fondamentale pour la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés, où le groupe carboxyle d'un acide aminé réagit avec le groupe amine d'un autre, avec élimination d'eau: –COOH + –NH₂ → –CONH– + H₂O [76](#page=76). #### 6.1.3 Réactions avec les aldéhydes Les aldéhydes aromatiques, tels que le benzaldéhyde, peuvent réagir avec un groupe amine pour former une base de Schiff (–N=CH–) par élimination d'eau. Les bases de Schiff sont souvent des intermédiaires enzymatiques importants, par exemple, le phosphate de pyridoxal (PLP) forme une base de Schiff avec le carbone α de l'acide aminé lors des réactions de transamination [79](#page=79). #### 6.1.4 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine (C₉H₆O₄) est un agent oxydant puissant utilisé pour la détection des acides aminés. Elle réagit avec les acides aminés, les oxydant et conduisant à leur dégradation : 1. Le groupe amine (–NH₂) est libéré sous forme d'ammoniac (NH₃). 2. Le groupe carboxyle (–COOH) est perdu sous forme de CO₂. 3. Le carbone α devient un aldéhyde (R–CHO). L'ammoniac libéré réagit ensuite avec une autre molécule de ninhydrine pour former un complexe coloré appelé pourpre de Ruhemann, qui donne une couleur violet intense. Les acides aminés secondaires comme la proline et l'hydroxyproline forment un complexe de couleur bleue car leur amine est secondaire et moins réactive [79](#page=79) [80](#page=80). > **Tip:** La réaction à la ninhydrine est essentielle pour la détection qualitative et le dosage quantitatif des acides aminés, avec des applications en biochimie, médecine et criminalistique. #### 6.1.5 Réactions dépendant des chaînes latérales R Les chaînes latérales R des acides aminés peuvent participer à des réactions spécifiques. ##### 6.1.5.1 Groupement carboxyle de la chaîne latérale R Les acides aspartique et glutamique possèdent un second groupe carboxyle dans leur chaîne latérale, ce qui leur confère des propriétés acides. Ces groupes peuvent être amidés pour former de l'asparagine et de la glutamine respectivement [80](#page=80). * **Aspartate → Asparagine:** HOOC–CH(CH₂–COOH)–NH₂ + NH₃ → HOOC–CH(CH₂–C(O)NH₂)–NH₂ [80](#page=80). * **Glutamate → Glutamine:** HOOC–CH(CH₂–CH₂–COOH)–NH₂ + NH₃ → HOOC–CH(CH₂–CH₂–C(O)NH₂)–NH₂ [80](#page=80). ##### 6.1.5.2 Groupement amine de la chaîne latérale R Les acides aminés basiques comme la lysine et l'arginine possèdent un groupe amine supplémentaire dans leur chaîne latérale, ce qui leur confère une charge positive à pH physiologique. L'arginine, en particulier, est un précurseur de la créatine. ##### 6.1.5.3 Groupement hydroxyle de la chaîne latérale R La sérine, la thréonine et la tyrosine possèdent un groupe hydroxyle (–OH) dans leur chaîne latérale. Ces groupes peuvent être phosphorylés. La tyrosine peut également être iodée pour former des iodotyrosines, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). ##### 6.1.5.4 Groupement thiol de la chaîne latérale R La cystéine possède un groupe thiol (–SH) dans sa chaîne latérale. Deux groupes thiols peuvent former un pont disulfure (–S–S–) par oxydation, une réaction importante pour la stabilisation de la structure tridimensionnelle des protéines [100](#page=100). ##### 6.1.5.5 Groupement imidazole de la chaîne latérale R L'histidine possède un cycle imidazole dans sa chaîne latérale, qui peut être protoné ou déprotoné selon le pH, lui conférant un rôle tampon important. ##### 6.1.5.6 Groupement indole de la chaîne latérale R Le tryptophane possède un cycle indole dans sa chaîne latérale, qui le rend sensible à la dégradation par les acides forts. ##### 6.1.5.7 Groupement phénol de la chaîne latérale R La tyrosine possède un cycle phénol dans sa chaîne latérale, qui peut être iodé. Ce cycle est également responsable de l'absorption des UV. #### 6.1.6 Dérivés d'acides aminés Certains composés importants sont dérivés d'acides aminés : * **Créatine:** Dérivée de la glycine et de l'arginine, elle est un réservoir d'énergie dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine. Sa production implique la SAM comme donneur de groupe méthyle [83](#page=83) [89](#page=89). * **Catécholamines (dopamine, noradrénaline, adrénaline):** Dérivées de la phénylalanine et de la tyrosine, elles sont des hormones et des neurotransmetteurs importants [85](#page=85). * **Tyramine:** Analogue des catécholamines, dérivé de la tyrosine par décarboxylation. On la trouve dans les aliments fermentés comme les fromages et le vin rouge [86](#page=86). * **Tryptamine:** Analogue des catécholamines, dérivé du tryptophane par décarboxylation. Elle est un vasoconstricteur puissant [87](#page=87). * **Sérotonine (5-hydroxytryptamine):** Dérivée du tryptophane par hydroxylation puis décarboxylation. C'est un neurotransmetteur essentiel régulant le sommeil, l'humeur et l'appétit [87](#page=87). * **S-Adénosyl-Méthionine (SAM):** Dérivée de la méthionine et de l'ATP, c'est un donneur universel de groupes méthyle pour de nombreuses réactions de méthylation, y compris la synthèse de créatine (#page=88, 89) [88](#page=88) [89](#page=89). * **Iodotyrosines:** Dérivées iodées de la tyrosine, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). * **Urée:** Principal déchet azoté du métabolisme des protéines chez les mammifères, formée lors du cycle de l'urée . * **Créatinine:** Déchet métabolique de la créatine, utilisée comme marqueur de la fonction rénale [85](#page=85). ### 6.2 Méthodes d'identification et de quantification des acides aminés Ces méthodes permettent de déterminer la présence (identification) et la quantité (quantification) d'acides aminés dans un échantillon. #### 6.2.1 Méthodes d'identification (qualitatives) ##### 6.2.1.1 Électrophorèse L'électrophorèse sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique à un pH donné, en les faisant migrer dans un champ électrique appliqué à travers un support poreux (tampon). Les acides aminés chargés positivement migrent vers la cathode (négative) et ceux chargés négativement migrent vers l'anode (positive). Les acides aminés neutres ne migrent pas. La position de migration dépend de la charge nette de l'acide aminé à ce pH [90](#page=90). ##### 6.2.1.2 Chromatographie La chromatographie est une technique de séparation basée sur la distribution différentielle des composants d'un mélange entre deux phases: une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement) [90](#page=90). * **Principe général :** Les acides aminés sont déposés sur la phase stationnaire et entraînés par la phase mobile. Leur vitesse de migration dépend de leur affinité pour la phase stationnaire et de leur solubilité dans la phase mobile. * **Phases :** * **Phase stationnaire :** Support solide (papier, silice, alumine, résine) qui retient plus ou moins les acides aminés selon leurs propriétés (charge, polarité, taille). * **Phase mobile :** Solvant qui transporte les acides aminés à travers la phase stationnaire. * **Types de chromatographie utilisés pour les acides aminés :** * **Chromatographie sur couche mince (CCM):** Méthode rapide et simple utilisant une plaque recouverte de silice ou d'alumine. La migration est due à la capillarité. La révélation se fait généralement avec de la ninhydrine. Le rapport frontal (Rf) est utilisé pour identifier les acides aminés [92](#page=92). * **Chromatographie ionique :** Sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique. Elle utilise des résines chargées : * **Échangeuse de cations (résine chargée négativement) :** Retient les acides aminés chargés positivement (basiques). * **Échangeuse d'anions (résine chargée positivement):** Retient les acides aminés chargés négativement (acides) [93](#page=93). Le pH du milieu est crucial car il détermine la charge globale de l'acide aminé par rapport à son point isoélectrique (pHi). Les acides aminés sont élués en modifiant le pH ou la force ionique du solvant. > **Tip:** Le rapport frontal (Rf) est défini comme la distance parcourue par la tache d'un acide aminé divisée par la distance parcourue par le front du solvant. Chaque acide aminé possède un Rf caractéristique dans des conditions données [92](#page=92). #### 6.2.2 Méthodes d'identification et de quantification (quantitatives) ##### 6.2.2.1 Méthodes photométriques Ces méthodes exploitent l'absorption de la lumière ultraviolette (UV) par certaines molécules. Elles sont particulièrement utiles pour les acides aminés aromatiques (tryptophane, tyrosine, phénylalanine) qui absorbent la lumière autour de 280 nm en raison de leurs cycles aromatiques. L'intensité de l'absorbance est directement proportionnelle à la concentration de ces acides aminés [94](#page=94). ##### 6.2.2.2 Méthodes colorimétriques Ces méthodes utilisent des réactifs qui réagissent avec les acides aminés pour former des composés colorés. L'intensité de la couleur, mesurée par un spectrophotomètre, est proportionnelle à la concentration des acides aminés [95](#page=95). * **Ninhydrine :** Comme mentionné précédemment, la réaction avec la ninhydrine produit le pourpre de Ruhemann, une couleur violette intense (jaune pour la proline). L'intensité de cette couleur est mesurée à 570 nm. ### 6.3 Structure, nomenclature et détermination de la séquence des peptides #### 6.3.1 Qu'est-ce qu'un peptide ? Un peptide est une petite chaîne constituée de plusieurs acides aminés (AA) liés entre eux par des liaisons peptidiques [96](#page=96). #### 6.3.2 La liaison peptidique La liaison peptidique se forme par condensation entre le groupe carboxyle (–COOH) d'un acide aminé et le groupe amine (–NH₂) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. C'est une liaison covalente forte, planaire et rigide due à un phénomène de résonance entre le groupe carbonyle (C=O) et l'azote (N) [96](#page=96). #### 6.3.3 Directionnalité et nomenclature * **Directionnalité :** Les peptides ont une directionnalité définie par leurs extrémités : * **Extrémité N-terminale :** Porte le groupe amine libre (–NH₂) du premier acide aminé. * **Extrémité C-terminale :** Porte le groupe carboxyle libre (–COOH) du dernier acide aminé. La séquence d'un peptide est toujours écrite de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale [96](#page=96). * **Nomenclature :** * Deux acides aminés : Dipeptide * Trois acides aminés : Tripeptide * Moins de 10 acides aminés : Oligopeptide * 10 à 100 acides aminés : Polypeptide * Plus de 100 acides aminés : Protéine Pour nommer un peptide, on utilise le suffixe "–yl" pour les acides aminés engagés dans la chaîne, sauf pour le dernier acide aminé C-terminal qui conserve son nom entier. Exemple: Alanine + Glycine + Tyrosine → Alanyl–Glycyl–Tyrosine [99](#page=99). #### 6.3.4 Rôle des chaînes latérales R Les chaînes latérales R des acides aminés, orientées alternativement de part et d'autre du squelette peptidique rigide, influencent la structure tridimensionnelle du peptide ou de la protéine [97](#page=97). #### 6.3.5 Détermination de la composition et de la séquence des acides aminés ##### 6.3.5.1 Détermination de la composition en acides aminés Ce processus implique la rupture complète des liaisons peptidiques pour libérer les acides aminés individuels, suivie de leur identification et de leur quantification. * **Hydrolyse acide:** Traitement du peptide avec de l'acide chlorhydrique (HCl) concentré à haute température (110 °C pendant 24 h) pour rompre les liaisons peptidiques. Cette méthode dégrade le tryptophane [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline:** Traitement avec de la soude (NaOH) à 100 °C pendant 4 à 8 heures. Cette méthode est utilisée pour préserver le tryptophane, qui est détruit par hydrolyse acide . * **Bris des ponts disulfure:** Les ponts disulfure (–S–S–) doivent être réduits (par exemple, avec du β-mercaptoéthanol) ou oxydés (par exemple, avec de l'acide performique) avant l'hydrolyse pour assurer une fragmentation complète du peptide [100](#page=100). * **Séparation et dosage:** Les acides aminés libérés sont ensuite séparés par chromatographie ionique et quantifiés par réaction à la ninhydrine . ##### 6.3.5.2 Détermination de la séquence des acides aminés Ces méthodes visent à déterminer l'ordre précis des acides aminés dans un peptide. * **Méthode de Sanger :** * **Principe:** Marque le groupe amine libre du premier acide aminé (N-terminal) avec du 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB, réactif de Sanger). Après hydrolyse acide, l'acide aminé marqué (jaune) est identifié par chromatographie . * **Limitation :** Ne permet d'identifier que le premier acide aminé. * **Méthode au chlorure de Dansyl (méthode de Gray) :** * **Principe:** Similaire à la méthode de Sanger, mais utilise le chlorure de Dansyl (DNS–Cl) qui réagit avec le groupe amine N-terminal pour former un dérivé fluorescent (DANSYL–AA). Après hydrolyse acide, le DANSYL–AA est détecté par fluorescence sous UV et identifié par chromatographie . * **Avantages :** Plus sensible que la méthode de Sanger et le produit final est fluorescent. * **Méthode d'Edman :** * **Principe:** Permet de déterminer la séquence d'acides aminés un par un, du N-terminal vers le C-terminal, sans détruire le reste de la chaîne. Le peptide est traité avec du phénylthioisocyanate (PITC) qui réagit avec le groupe amine N-terminal. Une réaction acide douce libère le premier acide aminé sous forme de dérivé stable (PTH–AA), laissant le reste du peptide intact mais raccourci d'un acide aminé. Le processus peut être répété pour élucider la séquence complète (#page=105, 106) . * **Produit :** Le dérivé phénylthiohydantoïne (PTH–AA) est identifiable par chromatographie ou spectrométrie. * **Méthodes enzymatiques aux aminopeptidases :** * **Principe:** Les exopeptidases, comme les aminopeptidases, coupent les liaisons peptidiques spécifiquement à l'extrémité du peptide. Les aminopeptidases agissent sur l'extrémité N-terminale, libérant les acides aminés un par un de manière séquentielle. Les carboxypeptidases agissent sur l'extrémité C-terminale . * **Détermination des acides aminés C-terminaux :** * **Carboxypeptidases:** Enzymes qui hydrolysent les liaisons peptidiques à l'extrémité C-terminale. La carboxypeptidase A libère la plupart des AA, sauf Cys, Arg, Lys. La carboxypeptidase B libère les AA basiques (Arg, Lys) . * **Hydrazinolyse:** Réaction du peptide avec de l'hydrazine (NH₂–NH₂) qui rompt toutes les liaisons peptidiques. Les acides aminés sont transformés en hydrazides, sauf le C-terminal qui conserve son groupe carboxyle libre et peut être identifié (#page=108, 109) . * **Fragmentation par endopeptidases :** Pour les peptides ou protéines trop longs, des endopeptidases spécifiques sont utilisées pour les couper en fragments plus petits. Ces enzymes coupent à des endroits précis : * **Trypsine :** Coupe après Arg et Lys (sauf si Proline suit). * **Chymotrypsine :** Coupe après Tyr, Trp, Phe. * **Pepsine :** Coupe après les AA aromatiques et hydrophobes à pH acide. * **Thermolyse :** Coupe avant les AA hydrophobes. Ces fragments sont ensuite séquencés individuellement (#page=109, 110) . * **Fragmentation chimique:** Le bromure de cyanogène (BrCN) est un réactif chimique qui coupe spécifiquement les liaisons peptidiques après la méthionine (Met) (#page=110, 111). Il réagit avec le soufre de la méthionine, entraînant la coupure de la liaison peptidique immédiatement après cet acide aminé . ### 6.4 Exemples de peptides biologiquement actifs * **Peptides hormonaux :** * **Hormones du système nerveux central:** Oxytocine (9 AA) et Vasopressine (9 AA), impliquées dans la contraction utérine, la lactation et la réabsorption d'eau . * **Hormones pancréatiques:** Insuline (51 AA, 2 chaînes) et Glucagon (29 AA), régulant la glycémie . * **Peptides à activités antibiotiques:** Produits par des bactéries ou champignons (ex: Bacitracine, Gramicidine D) . --- # Structure, propriétés et classification des protéines Les protéines sont des macromolécules essentielles à la vie, caractérisées par leur structure complexe et leurs fonctions diversifiées. Cette section explore leur composition, leurs niveaux d'organisation structurale, leurs propriétés physiques et chimiques, ainsi que leur classification . ### 7.1 Définition et composition des protéines Les protéines sont des macromolécules formées par l'assemblage d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. L'ordre spécifique de ces acides aminés, appelé séquence primaire, est déterminé génétiquement. Cette séquence détermine la conformation tridimensionnelle de la protéine, indispensable à son activité biologique . Les protéines sont principalement constituées des éléments carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), et souvent du soufre (S). Les 20 acides aminés standards sont les briques élémentaires de la majorité des protéines naturelles. Certaines protéines subissent des modifications post-traductionnelles, conduisant à la formation d'acides aminés dérivés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, particulièrement abondants dans le collagène pour la stabilisation des fibres . ### 7.2 Niveaux de structure protéique Les protéines présentent quatre niveaux d'organisation structurale : #### 7.2.1 Structure primaire La structure primaire correspond à la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, incluant les ponts disulfure. Elle est codée par les gènes et résultante de la traduction de l'ARNm. La lecture de la séquence commence à l'extrémité N-terminale . #### 7.2.2 Structure secondaire La structure secondaire décrit le repliement local de la chaîne polypeptidique, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. Les deux structures secondaires principales sont : * **Hélice α:** Le polypeptide s'enroule en une structure hélicoïdale, avec les chaînes latérales des acides aminés orientées vers l'extérieur. Les liaisons hydrogène se forment entre l'oxygène d'un groupement carboxyle et l'hydrogène d'un groupement aminé au sein de la même chaîne . * **Feuillet β:** Formé par l'association d'au moins deux brins β, maintenus par des liaisons hydrogène entre les groupements carbonyle (-CO) et amine (-NH) de peptides adjacents. Les brins β peuvent être antiparallèles ou parallèles . #### 7.2.3 Structure tertiaire La structure tertiaire représente la conformation tridimensionnelle complète de la protéine. Les régions riches en hélice α ou feuillet β, ou des combinaisons des deux, contribuent à cette structure. Elle est cruciale pour la fonctionnalité de la protéine, notamment pour la formation du site actif des enzymes. Les chaînes latérales hydrophiles sont orientées vers l'extérieur, tandis que les chaînes latérales hydrophobes forment un cœur hydrophobe à l'intérieur. Cette structure est stabilisée par divers types de liaisons : * **Liaisons covalentes:** Ponts disulfure entre résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes:** Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques . #### 7.2.4 Structure quaternaire La structure quaternaire concerne l'association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active. On distingue : * **Homopolymères:** Sous-unités identiques . * **Hétéropolymères:** Sous-unités différentes . Un exemple est l'hémoglobine A, un hétérotétramère composé de deux sous-unités α et deux sous-unités β . ### 7.3 Propriétés physiques des protéines #### 7.3.1 La solubilité La majorité des protéines sont solubles dans l'eau, ce sont les protéines globulaires. Les protéines insolubles dans l'eau sont des scléroprotéines, aussi appelées protéines fibreuses . #### 7.3.2 La cristallisation Les protéines peuvent être cristallisées en manipulant le pH, la concentration saline (force ionique) et l'utilisation de solvants organiques qui réduisent leur solubilité dans l'eau, favorisant l'agrégation ordonnée . #### 7.3.3 Propriétés optiques Les protéines sont optiquement actives. Elles absorbent la lumière UV à 280 nm en raison de la présence de résidus aromatiques. La réaction du Biuret permet de détecter la présence de protéines en formant un complexe coloré violet avec les ions cuivriques en milieu alcalin, avec un maximum d'absorption à 540 nm, propriété utilisée pour le dosage des protéines sanguines . #### 7.3.4 Masse moléculaire (MM) Chaque protéine possède une masse moléculaire caractéristique, supérieure à 6000 Daltons (Da). La détermination de la MM peut être réalisée par chromatographie par gel-filtration, où les protéines sont séparées selon leur taille sur des gels de dextranes . ### 7.4 Propriétés chimiques des protéines #### 7.4.1 Élément constitutifs et réactivité Les protéines contiennent les éléments C, H, O, N et souvent S. Leur réactivité est déterminée par les propriétés des acides aminés qui les composent. Une protéine majoritairement composée d'acides aminés basiques aura une tendance basique, tandis qu'une protéine majoritairement composée d'acides aminés acides aura une tendance acide . #### 7.4.2 Caractère amphotère Les protéines sont amphotères, c'est-à-dire qu'elles peuvent agir comme un acide (donneur de proton H⁺) ou comme une base (accepteur de proton H⁺). Cette propriété provient de la présence de groupes ionisables : * **Extrémités de la chaîne peptidique:** Groupement carboxyle terminal (-COOH / COO⁻) et groupement amine terminal (-NH₂ / NH₃⁺) . * **Chaînes latérales des acides aminés:** Groupements acides (-COOH d'Asp, Glu), groupements basiques (-NH₂ de Lys, Arg, His), et autres groupements polaires (-OH de Tyr, Ser, -SH de Cys) . La charge globale de la protéine varie en fonction du pH du milieu . #### 7.4.3 Le point isoélectrique (pI) Le point isoélectrique (pI) est le pH auquel les charges positives et négatives de la protéine sont équilibrées, résultant en une charge nette nulle. Au pI : * La protéine ne migre pas dans un champ électrique (électrophorèse) . * Elle est souvent moins soluble, ce qui peut entraîner sa précipitation . > **Tip:** Après une électrophorèse, les protéines sont généralement révélées par une coloration au bleu de Coomassie . ### 7.5 Propriétés biologiques des protéines Les protéines présentent diverses propriétés biologiques, notamment : * **Propriétés antigéniques:** Les protéines peuvent induire la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques :** * Catalyse enzymatique . * Fonction hormonale (ex: hormone de croissance - GH, érythropoïétine - EPO) . * Activité toxique (ex: exotoxines bactériennes) . * Activité antibiotique (ex: VanX, une protéine hydrolase) . ### 7.6 Classification des protéines Les protéines sont classées en deux grandes catégories : les holoprotéines et les hétéroprotéines. #### 7.6.1 Les holoprotéines Les holoprotéines sont entièrement constituées d'acides aminés. On les divise en fonction de leur forme : * **Holoprotéines globulaires solubles:** Ces protéines ont une forme sphéroïde et sont solubles dans l'eau grâce à l'orientation des chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur de la molécule. Elles incluent la majorité des protéines fonctionnelles comme les enzymes, les hormones et les anticorps . * **Albumines:** Représentent environ 60 % des protéines sériques, jouant un rôle clé dans le maintien de la pression oncotique et le transport de diverses substances. La pression oncotique maintient l'équilibre hydrique dans le sang et prévient la formation d'œdèmes . * **Globulines:** Représentent environ 40 % des protéines sériques et jouent des rôles dans le transport de molécules, la défense immunitaire, la coagulation et la réponse inflammatoire. Elles sont classées selon leur mobilité électrophorétique : * **α-globulines:** Inhibent des enzymes, transportent hormones et lipides . * **α₂-globulines:** Transportent le fer et le cuivre, défendent contre les protéases . * **β-globulines:** Transportent le fer, participent à la réponse immunitaire . * **γ-globulines (Immunoglobulines):** Anticorps impliqués dans la défense immunitaire spécifique, forment la fraction la moins mobile en électrophorèse . > **Example:** L'électrophorèse des protéines sériques sur gel d'agarose est une méthode diagnostique permettant de séparer et visualiser les différentes fractions protéiques du sérum en fonction de leur charge et de leur taille . #### 7.6.2 Les hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique. Le groupement prosthétique peut être : * **Groupement phosphorique:** Phosphoprotéines (ex: caséine du lait) . * **Acide nucléique:** Nucléoprotéines (ex: télomérase) . * **Sucre:** Glycoprotéines. La glycosylation peut être N-liée (sur l'azote d'un résidu d'asparagine) ou O-liée (sur l'hydroxyle d'un résidu de sérine ou thréonine). Elles sont impliquées dans la protection des épithéliums (mucines), la défense immunitaire (immunoglobulines) et la détermination des groupes sanguins . * **Lipide:** Lipoprotéines. Ces complexes assurent le transport des lipides dans le plasma sanguin. Elles sont classées en cinq classes selon leur densité: chylomicrons, VLDL, IDL, LDL et HDL . * **Pigment coloré:** Chromoprotéines . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Filiation des aldoses | La filiation des aldoses est un ensemble de réactions chimiques qui permettent de relier les oses entre eux selon leur nombre d’atomes de carbone, permettant d’allonger ou de raccourcir une chaîne carbonée et d’établir une relation généalogique entre les différents oses. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Une méthode chimique qui permet d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose en ajoutant un atome de carbone, entraînant la formation d'un nouveau carbone asymétrique et potentiellement deux sucres différents (épimères) en solution. | | Aldose | Un monosaccharide qui possède un groupe aldéhyde (–CHO) et qui peut être oxydé pour former un acide carboxylique, un acide aldarique ou un aldono-lactone. | | Cétose | Un monosaccharide qui possède un groupe cétone (–CO–) dans sa structure carbonée, typiquement en position 2, et qui peut être oxydé en position cétone pour former un acide polyhydroxylé. | | Hémiactéal | Une molécule formée par la réaction d'un groupe hydroxyle (alcool) avec un groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) au sein de la même molécule, créant un cycle et un nouveau centre chiral. | | Projection de Fischer | Représentation bidimensionnelle des molécules en 3D, où les chaînes carbonées sont verticales et les substituants horizontaux, utilisée pour visualiser la stéréochimie des sucres. | | Projection de Haworth | Représentation tridimensionnelle simplifiée des cycles des sucres, montrant l'anneau du cycle, la position des substituants (groupes OH, etc.) et le carbone anomérique. | | Carbone anomérique | Le carbone du groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) qui devient un centre chiral après la cyclisation de l'ose, pouvant exister sous forme alpha (α) ou bêta (β) selon la position du groupe hydroxyle. | | Pyranose | Cycle de sucre à six atomes, formé par la cyclisation d'un ose impliquant le groupe hydroxyle du carbone 5, comparable à la structure du pyrane. | | Furanose | Cycle de sucre à cinq atomes, formé par la cyclisation d'un ose impliquant le groupe hydroxyle du carbone 4, comparable à la structure du furane. | | Holoside | Un oside composé uniquement de sucres (oses ou leurs dérivés), formé par la liaison glycosidique entre plusieurs molécules de sucres, comme les oligosides et les polyosides. | | Hétéroside | Une molécule complexe formée d'une partie glucidique (ose ou oside) et d'une partie non glucidique (aglycone), liée par une liaison osidique ou glycosidique. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle (–OH) ou amine (–NH₂) d'une autre molécule, typique des osides et des hétérosides. | | Oligoside | Un oside composé de 2 à 10 unités d'oses reliées par des liaisons glycosidiques, comme le maltose, le saccharose ou le lactose. | | Polyside (Polysaccharide) | Un glucide complexe formé par la condensation de nombreuses molécules d'oses (plus de 10), jouant des rôles de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou structuraux (cellulose, chitine). | | Lipides | Composés organiques principalement formés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. | | Acide gras | Molécule organique constituée d'une longue chaîne carbonée (hydrophobe) terminée par un groupe acide carboxylique (–COOH) (hydrophile), formant la base de nombreux lipides. | | Triglycéride | Ester formé par la réaction entre le glycérol et trois molécules d'acides gras, constituant la principale forme de stockage d'énergie dans l'organisme. | | Phospholipide | Lipide complexe contenant une molécule de glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate et souvent un alcool, formant la bicouche lipidique des membranes cellulaires. | | Sphingolipide | Lipide complexe dont le squelette est formé par la sphingosine (un amino-alcool) au lieu du glycérol, souvent présent dans le système nerveux. | | Stéride | Lipide simple formé par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras, jouant un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol. | | Acide aminé | Molécule organique possédant à la fois une fonction amine (–NH₂) et une fonction acide carboxylique (–COOH), constituant la base des protéines. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau, reliant les acides aminés dans les peptides et les protéines. | | Peptide | Molécule courte constituée de plusieurs acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (de 2 à moins de 50 acides aminés). | | Protéine | Macromolécule complexe formée d'une longue chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, adoptant une structure tridimensionnelle spécifique essentielle à sa fonction biologique. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une chaîne polypeptidique, déterminée génétiquement et stabilisée par des ponts disulfure dans certains cas. | | Structure secondaire | Repliement local d'une chaîne polypeptidique en structures régulières comme l'hélice α ou le feuillet β, stabilisé par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une chaîne polypeptidique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, essentielle à la fonction de la protéine. | | Structure quaternaire | Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle, stabilisée par diverses interactions non covalentes et parfois des ponts disulfure. | | Zwitterion | Molécule possédant à la fois une charge positive et une charge négative, résultant de la dissociation des groupes acide et basique d'un acide aminé ou d'une protéine, conduisant à une charge globale neutre. | | Point isoélectrique (pHi) | Le pH auquel un acide aminé ou une protéine possède une charge globale nette nulle, se trouvant sous forme zwitterionique majoritaire et ayant une mobilité électrophorétique nulle. | | Électrophorèse | Technique de séparation des molécules chargées (comme les acides aminés et les protéines) basée sur leur migration dans un champ électrique, dépendant de leur charge, de leur taille et de la composition du milieu. | | Chromatographie | Technique de séparation des mélanges basée sur la distribution différentielle des composants entre une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement). | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour la détection et le dosage des acides aminés et des peptides par réaction avec le groupe amine, produisant une coloration violette ou bleue caractéristique. | | Pont disulfure | Liaison covalente forte (S–S) formée entre deux groupes thiol (–SH) de deux résidus cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | Décarboxylation | Réaction chimique entraînant la perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), souvent catalysée par des enzymes décarboxylases. | | Amidation | Réaction chimique transformant un groupe carboxyle (–COOH) en groupe amide (–CONH₂) ou une amine (–NH₂) en un groupe amide (–CONH–), essentielle à la formation des liaisons peptidiques. | | Estérification | Réaction entre un acide carboxylique et un alcool en présence d'un catalyseur acide fort pour former un ester et de l'eau, utilisée dans la synthèse de nombreux lipides et la protection de groupes fonctionnels. | | Déshydroxylation | Perte d'un groupe hydroxyle (–OH) d'une molécule, souvent catalysée par des enzymes déshydrogénases. | | Transamination | Réaction chimique de transfert d'un groupe amine (–NH₂) d'un acide aminé à un acide cétonique, catalysée par des transaminases (ou aminotransférases), essentielle au métabolisme des acides aminés. | | Cycle de l'urée | Voie métabolique hépatique qui transforme l'ammoniac (NH₃), toxique, en urée, non toxique, pour son élimination par les reins. | | Acides aminés dibasiques | Acides aminés possédant deux fonctions basiques capables de capter des protons (H⁺), soit deux groupes amine ou un groupe amine et un groupe guanidinium, comme la lysine, l'arginine et l'histidine. | | Acides aminés aromatiques | Acides aminés dont la chaîne latérale R contient un cycle benzénique ou un cycle similaire, comme la phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane, capables d'absorber la lumière UV. | | Acide imino | Acide aminé particulier (proline) où le groupe amine primaire est intégré dans un cycle avec la chaîne latérale, formant une fonction amine secondaire. | | Hydroxylation post-traductionnelle | Modification chimique d'une protéine après sa synthèse, impliquant l'ajout d'un groupe hydroxyle (–OH) à certains résidus d'acides aminés, comme la proline et la lysine, stabilisant des structures comme le collagène. | | Phosphorylation | Ajout d'un groupe phosphate (–PO₄²⁻) à une molécule, souvent sur des résidus sérine, thréonine ou tyrosine de protéines, un mécanisme clé de régulation de l'activité enzymatique et de la signalisation cellulaire. | | O-glycosylation | Modification post-traductionnelle impliquant l'ajout d'une chaîne de sucres (glycosyle) à un groupe hydroxyle (–OH) d'un résidu sérine ou thréonine d'une protéine. | | Pont disulfure | Liaison covalente S–S formée entre deux résidus cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | Créatine | Petite molécule azotée synthétisée à partir de la glycine, de l'arginine et de la méthionine, servant de réservoir d'énergie rapide dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine. | | Créatinine | Déchet métabolique cyclique dérivé de la créatine et de la phosphocréatine, éliminé par les reins, dont le taux sanguin est un indicateur de la fonction rénale. | | Catécholamines | Molécules dérivées d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine), contenant un cycle catéchol et une fonction amine, agissant comme hormones et neurotransmetteurs (adrénaline, noradrénaline, dopamine). | | Tyramine | Analogue des catécholamines dérivé de la tyrosine par décarboxylation, agissant comme un sympathomimétique indirect, provoquant vasoconstriction et augmentation de la pression artérielle. | | Tryptamine | Analogue des catécholamines dérivé du tryptophane par décarboxylation, agissant comme un vasoconstricteur puissant et mimant les effets des catécholamines. | | Sérotonine (5-hydroxytryptamine) | Neurotransmetteur et hormone dérivé du tryptophane, jouant un rôle dans la régulation du sommeil, de l'humeur, de l'appétit et de la coagulation sanguine. | | S-Adénosyl-méthionine (SAM) | Coenzyme dérivé de la méthionine et de l'ATP, agissant comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions de méthylation, essentielles à la régulation de l'expression génique. | | Holoprotéines | Protéines composées uniquement d'acides aminés, sans partie non protéique, pouvant être globulaires (solubles) ou fibreuses (insolubles). | | Hétéroprotéines | Protéines formées d'une partie protéique (apoprotéine) liée à une partie non protéique (groupement prosthétique), comme les phosphoprotéines, nucléoprotéines, glycoprotéines, lipoprotéines et chromoprotéines. | | Albumine | Protéine globulaire soluble la plus abondante du plasma sanguin, jouant un rôle majeur dans le maintien de la pression oncotique et le transport de diverses substances. | | Globulines | Protéines globulaires solubles présentes dans le sérum sanguin, classées en fractions (alpha, bêta, gamma) selon leur mobilité électrophorétique, impliquées dans le transport, la défense immunitaire, la coagulation et l'inflammation. | | Immunoglobulines (anticorps) | Protéines de la fraction gamma-globuline, produites par les lymphocytes B, essentielles à la défense immunitaire spécifique en reconnaissant et neutralisant les agents pathogènes. | | Électrophorèse sur gel d'agarose | Technique de diagnostic biochimique pour séparer les protéines du sérum en fonction de leur charge, leur taille et leur mobilité électrophorétique. | | Glycoprotéines | Hétéroprotéines formées par une liaison covalente entre une protéine et une séquence glucidique, présentes dans les membranes cellulaires, le plasma et les tissus conjonctifs, jouant des rôles dans la reconnaissance cellulaire, la défense immunitaire et le groupe sanguin. | | Lipoprotéines | Complexes protéine-lipide qui transportent les lipides insolubles dans le plasma sanguin, classées en 5 classes (chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, HDL) selon leur composition et densité. |

# Introduction à la biochimie et son rôle La biochimie est l'étude des réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, analysant leurs constituants cellulaires et leurs applications [1](#page=1). ### 1.1 Définition et champ d'étude * La biochimie, également appelée chimie biologique, se concentre sur les réactions chimiques fondamentales qui animent la vie [1](#page=1). * Elle vise à comprendre les structures, les fonctions et les interactions des macromolécules biologiques essentielles telles que : * Les glucides (exemples: glucose, amidon, glycogène) [2](#page=2). * Les lipides (exemples: phospholipides, stéroïdes) [2](#page=2). * Les protéines (exemples: enzymes, albumines, globulines) [2](#page=2). * Les acides nucléiques (ADN et ARN) [2](#page=2). ### 1.2 Applications de la biochimie Les découvertes et les connaissances issues de la biochimie trouvent des applications dans divers domaines [1](#page=1): * Médecine * Agriculture * Industrie alimentaire ### 1.3 La biochimie et la médecine La médecine et la biochimie sont intrinsèquement liées [1](#page=1). * **Santé**: Elle est synonyme d'un équilibre harmonieux des réactions biochimiques au sein de l'organisme [1](#page=1). * **Maladies**: Elles sont souvent le reflet d'anomalies dans les molécules biologiques ou les réactions biochimiques [1](#page=1). * Les connaissances en biochimie sont donc indispensables pour la pratique de la médecine et des sciences biomédicales [1](#page=1). * Les examens biochimiques de laboratoire, tels que les analyses sanguines, les dosages enzymatiques et les profils métaboliques, sont une composante essentielle du diagnostic et du suivi thérapeutique de nombreuses pathologies [1](#page=1). > **Tip:** Comprendre le lien entre la biochimie et la santé permet d'apprécier l'importance des analyses de laboratoire dans la prise en charge médicale. ### 1.4 Constituants chimiques de la cellule La cellule, unité fondamentale du vivant, est composée d'une combinaison de structures cellulaires (organites) et d'éléments chimiques. Ces éléments comprennent [2](#page=2): * L'eau ($H_2O$) [2](#page=2). * Les minéraux (ions tels que $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) [2](#page=2). * Les molécules organiques : * Glucides [2](#page=2). * Lipides [2](#page=2). * Protéines [2](#page=2). * Acides nucléiques [2](#page=2). ### 1.5 Domaines de la biochimie La biochimie peut être subdivisée en plusieurs domaines d'étude interdépendants [2](#page=2): * Biochimie structurale [2](#page=2). * Biochimie métabolique [2](#page=2). * Enzymologie [2](#page=2). > **Example:** La biochimie structurale étudie la forme tridimensionnelle d'une protéine, tandis que la biochimie métabolique explore les voies par lesquelles cette protéine participe à des réactions chimiques dans la cellule. L'enzymologie se concentre spécifiquement sur le rôle et le fonctionnement des enzymes, qui sont des protéines catalytiques essentielles à la vie. --- # Les glucides: structure, classification et propriétés Les glucides, également appelés hydrates de carbone ou sucres, sont des biomolécules fondamentales, omniprésentes dans la nature, jouant des rôles essentiels en tant que source d'énergie, de stockage, de précurseurs pour la synthèse d'autres biomolécules, et d'éléments structuraux. Ils se caractérisent par leur nature polyhydroxylée et la présence d'un groupement carbonyle (aldéhyde ou cétone), leur conférant une grande hydrophilie et un caractère réducteur [4](#page=4). ### 2.1 Classification des glucides La classification des glucides repose principalement sur deux critères: leur taille et la nature de leur fonction carbonyle [6](#page=6). #### 2.1.1 Les oses Les oses, ou monosaccharides, sont les glucides les plus simples. Ils sont constitués d'une chaîne carbonée linéaire de 3 à 8 atomes de carbone. Chaque carbone porte un groupement hydroxyle, à l'exception d'un seul qui porte un groupement carbonyle [5](#page=5). ##### 2.1.1.1 Critères de classification des oses Les oses sont classés selon : * **Le nombre d'atomes de carbone :** * Trioses (3 C) * Tétroses (4 C) * Pentoses (5 C) * Hexoses (6 C) * Etc. * **La nature de la fonction carbonyle :** * **Aldoses:** présence d'une fonction aldéhyde (–CHO). Leur nom se termine par "-ose". L'aldose le plus simple est le glycéraldéhyde [6](#page=6) [7](#page=7). * **Cétoses:** présence d'une fonction cétone (–C=O). Leur nom se termine par "-ulose", à l'exception du fructose. Le plus simple des cétoses est la dihydroxyacétone [14](#page=14) [6](#page=6). La combinaison de ces deux critères permet une nomenclature précise, par exemple un aldose à 6 carbones est un aldohexose. Les plus simples des oses sont les trioses, possédant une fonction aldéhyde ou cétone et deux fonctions alcool [6](#page=6). ##### 2.1.1.2 Structure et représentation des oses La représentation linéaire des oses utilise la projection de Fischer. Dans cette projection [7](#page=7): * Le squelette carboné est aligné verticalement [7](#page=7). * Le groupement carbonyle est placé au sommet (C1 pour les aldoses) [7](#page=7). * Les groupements hydroxyles sont représentés par des barres horizontales [7](#page=7). * Le carbone portant la fonction alcoolique secondaire est asymétrique, c'est-à-dire qu'il porte quatre radicaux différents [7](#page=7). **Numérotation des carbones :** 1. On commence par le carbone du groupe carbonyle: C1 pour un aldose (fonction –CHO en haut), ou le carbone du –CH₂OH en haut pour un cétose (le C2 portant la fonction cétone) [7](#page=7). 2. La numérotation descend vers le bas de la molécule [7](#page=7). > **Tip:** Pour simplifier, la chaîne carbonée est représentée par un trait vertical, et les groupes hydroxyles par des barres horizontales [7](#page=7). ##### 2.1.1.3 Configuration absolue : Série D et série L La configuration absolue d'un ose est déterminée par la position du groupement hydroxyle du carbone asymétrique le plus éloigné de la fonction carbonyle [8](#page=8). * **Série D:** Le groupement hydroxyle est orienté vers la droite de l'observateur [8](#page=8). * **Série L:** Le groupement hydroxyle est orienté vers la gauche de l'observateur [8](#page=8). D et L sont des images l'une de l'autre dans un miroir. Les oses naturels appartiennent presque exclusivement à la série D, les rares cas d'oses de série L se rencontrant chez les bactéries [8](#page=8). ##### 2.1.1.4 Isomérie des oses Les isomères sont des molécules ayant la même formule brute mais des formules structurales différentes [9](#page=9). * **Isomérie optique (énantiomères):** Les molécules possédant au moins un carbone asymétrique et pas de plan de symétrie sont optiquement actives. L'isomère optique d'une molécule est son image miroir non superposable. Chaque ose possède au moins un carbone asymétrique et donc des isomères optiques, appelés énantiomères. Les énantiomères ont les mêmes propriétés physicochimiques, sauf leur pouvoir rotatoire, qui est égal en valeur absolue mais opposé en signe [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). * **Carbone asymétrique:** Carbone lié à quatre radicaux différents [9](#page=9). * **Molécule chirale:** Molécule optiquement active contenant au moins un carbone asymétrique et sans plan de symétrie [9](#page=9). * À l'exception de la dihydroxyacétone, tous les monosaccharides ont au moins un carbone asymétrique [10](#page=10). * **Activité optique (Pouvoir rotatoire):** Les molécules optiquement actives font dévier le plan de la lumière polarisée [10](#page=10). * **Dextrogyre (d ou +):** Déviation vers la droite, pouvoir rotatoire positif [10](#page=10). * **Lévogyre (l ou –):** Déviation vers la gauche, pouvoir rotatoire négatif [10](#page=10). * L'intensité de la déviation, exprimée en degrés, est le pouvoir rotatoire spécifique, une caractéristique propre à chaque substance [10](#page=10). * Les isomères optiques ont des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue mais opposés en signe. L'appartenance à la série D ou L ne préjuge pas du pouvoir rotatoire (ex: D-glucose est dextrogyre, D-fructose est lévogyre) [11](#page=11). * **Diastéréoisomères:** Ce sont des isomères optiques non images miroir l'un de l'autre. Ils diffèrent par la configuration d'au moins un carbone asymétrique, mais pas tous [12](#page=12). * **Épimères:** Sous-catégorie des diastéréoisomères qui diffèrent par la configuration d'un seul et même carbone asymétrique. Par exemple, le glucose et le mannose sont épimères en C2 et le glucose et le galactose sont épimères en C4. L'organisme humain utilise préférentiellement les isomères de la série D. La différence de configuration, même sur un seul carbone, peut avoir des conséquences physiologiques importantes, comme dans le cas de la galactosémie congénitale due à l'absence d'enzyme de conversion du galactose [12](#page=12). * **Anomères:** Isomères qui diffèrent uniquement par la configuration du carbone anomérique, issu de la cyclisation (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses). Ils apparaissent lors de la cyclisation des oses et sont notés α et β [12](#page=12) [17](#page=17). ##### 2.1.1.5 Filiation des aldoses et cétoses La filiation des oses décrit la synthèse d'oses par élongation de leur chaîne carbonée, le plus souvent par la méthode de synthèse cyanhydrique de Kiliani-Fisher. Ce procédé insère un nouveau carbone asymétrique sous la fonction carbonyle, générant deux isomères à chaque étape [13](#page=13). * Le **glycéraldéhyde** (aldotriose) est le précurseur des aldoses plus longs [13](#page=13). * Le processus d'élongation du glycéraldéhyde conduit aux tétroses, puis aux pentoses, et enfin aux hexoses. Par exemple, à partir du D-érythrose et du D-thréose, on obtient 4 pentoses, qui par élongation donneront 8 hexoses [13](#page=13). * La **dihydroxyacétone** (cétotriose) est le précurseur des cétoses, suivant un mécanisme d'élongation similaire [14](#page=14). Le nombre d'isomères pour les aldoses est de $2^{n-2}$ (où n est le nombre total de carbones) et pour les cétoses, il est de $2^{n-3}$ [14](#page=14). #### 2.1.2 Les osides Les osides sont des glucides formés par la liaison d'un ose (monosaccharide) avec une autre molécule. Ils se divisent en deux catégories : * **Holosides:** Formés par la liaison de deux oses ou plus [21](#page=21). * **Hétérosides:** Formés par la liaison d'un ose avec une molécule non osidique (appelée aglycone). Ces liaisons peuvent être des O-hétérosides (liaison avec un groupe -OH), N-hétérosides (liaison avec une amine), ou encore des liaisons avec des bases azotées pour former des nucléosides [21](#page=21). ### 2.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse, les oses comportant cinq atomes de carbone ou plus adoptent une forme cyclique plutôt que linéaire. Cette cyclisation se produit par une réaction intramoléculaire entre la fonction carbonyle et un groupement hydroxyle de la même molécule, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémicétal (pour les cétoses) via une liaison covalente avec un atome d'oxygène (pont oxygène) [15](#page=15). * **Cyclisation des aldoses:** La cyclisation peut se faire entre le C1 et le C5 (pour former un cycle à 6 chaînons, un pyranose) ou entre le C1 et le C4 (pour former un cycle à 5 chaînons, un furanose) [15](#page=15). * **Cyclisation des cétoses:** Généralement entre le C2 et le C6 (cycle pyranose) ou C2 et C5 (cycle furanose) [16](#page=16). ##### 2.2.1 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation des cycles d'oses : * Les carbones et l'oxygène cyclique sont considérés dans un plan horizontal [16](#page=16). * Les substituants situés à droite dans la projection de Fischer sont positionnés en dessous du plan du cycle [16](#page=16). * Les substituants situés à gauche dans la projection de Fischer, ainsi que le CH₂OH en C5 des oses de série D, sont positionnés au-dessus du plan du cycle [16](#page=16). ##### 2.2.2 Conformation spatiale des oses Les cycles d'oses adoptent des conformations tridimensionnelles, notamment les conformations "bateau" et "chaise". La conformation chaise est généralement la plus stable. Les oses naturels se présentent le plus souvent sous forme chaise [17](#page=17). ### 2.3 Propriétés physiques des oses * Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de leurs nombreux groupements hydroxyles qui établissent des liaisons hydrogène [17](#page=17) [4](#page=4). * En solution, ils présentent un pouvoir rotatoire spécifique, utilisé pour leur identification et leur dosage [10](#page=10) [17](#page=17). * Leur structure est thermodégradable; le chauffage peut entraîner une caramélisation [17](#page=17). ### 2.4 Propriétés chimiques des oses Les propriétés chimiques des oses sont dues à la présence des fonctions carbonyle (ou hémiacétal/hémicétal) et hydroxyles [18](#page=18). #### 2.4.1 Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) Ces réactions incluent l'oxydation, la réduction et la condensation [18](#page=18) [20](#page=20) [21](#page=21). ##### 2.4.1.1 Oxydation des oses * **Oxydation enzymatique:** Catalysée par des enzymes comme les oxydases (ex: glucose oxydase pour le glucose formant l'acide gluconique). Cette réaction est à la base de la mesure de la glycémie [18](#page=18). * **Oxydation chimique :** * **Oxydation douce:** En milieu alcalin, seule la fonction aldéhyde est oxydée en fonction carboxylique, formant un acide aldonique [19](#page=19). * **Oxydation forte:** Avec des oxydants forts comme l'acide nitrique (HNO₃), la fonction aldéhyde et l'alcool primaire sont oxydés, conduisant à des acides aldariques (deux fonctions carboxyliques en C1 et C6 pour les aldoses). Chez les cétoses, l'oxydation forte provoque la coupure du squelette carboné [19](#page=19). * **Oxydation par les sels de métaux lourds:** En milieu alcalin à chaud, les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling) oxydent l'ose en se réduisant. Les aldoses sont réducteurs et transforment l'oxyde cuivrique bleu en oxyde cuivreux rouge brique. Les cétoses sont très peu réducteurs dans ces conditions [19](#page=19) [20](#page=20). ##### 2.4.1.2 Réduction des oses La réduction des fonctions aldéhydes et cétones par des agents réducteurs comme les borohydrures alcalins (LiBH₄, NaBH₄) transforme les oses en polyols (alcools de sucre). Les aldoses donnent un polyol, tandis que les cétoses donnent deux polyols épimères en C2. Ces polyols portent la terminaison "-itol" (ex: sorbitol, mannitol) [20](#page=20). ##### 2.4.1.3 Condensation La fonction OH du carbone anomérique peut se condenser avec une fonction alcool d'une autre molécule pour former une liaison osidique, aboutissant à des holosides ou des hétérosides. La condensation avec une amine peut former des N-hétérosides. Cette réaction est également fondamentale dans la formation des nucléosides par condensation avec des bases azotées [21](#page=21). #### 2.4.2 Réactions dues à la fonction alcool ##### 2.4.2.1 Estérification Les oses peuvent être estérifiés sur leurs fonctions alcool, souvent avec l'acide phosphorique, formant des esters phosphoriques [21](#page=21) [22](#page=22). ##### 2.4.2.2 Déshydratation en milieu acide En milieu acide fort et à chaud, les oses (surtout ceux avec au moins cinq carbones) subissent une déshydratation conduisant à la formation de cycles [22](#page=22). * Les pentoses forment du furfural [22](#page=22). * Les hexoses forment de l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [22](#page=22). --- # Les osides: oligosides et polyosides Ce chapitre explore la classification et les caractéristiques des osides, en se concentrant sur les oligosides et les polyosides. ### 3.1 Définition générale des osides Les osides sont des molécules dont l'hydrolyse libère deux ou plusieurs molécules d'oses, identiques ou différentes. On distingue deux grands groupes: les holosides, dont l'hydrolyse ne produit que des oses, et les hétérosides, qui libèrent des oses et une partie non glucidique appelée aglycone. Les osides peuvent également se lier à d'autres types de molécules comme des protéines (glycoprotéines), des lipides (glycolipides) ou des bases azotées (nucléosides) [23](#page=23). Les holosides résultent de la condensation de molécules d'oses par l'intermédiaire de liaisons osidiques. Une liaison osidique est caractérisée par la nature des oses impliqués, leur forme cyclique (pyrane ou furane) et la configuration anomérique de la liaison (α ou β) [23](#page=23). ### 3.2 Oligosides Les oligosides sont des osides composés de 2 à 10 molécules d'oses. Ils incluent les disaccharides, trisaccharides, tétrasaccharides, etc. [23](#page=23). #### 3.2.1 Les disaccharides Les disaccharides sont formés de deux molécules d'oses reliées par une liaison osidique. On les classe selon que leur fonction réductrice est libre ou engagée [23](#page=23). * **Diholosides non réducteurs:** Dans ces disaccharides, les deux oses sont engagés par leur groupe réducteur, ce qui bloque les deux oses dans une forme anomérique spécifique. Un exemple est le D-glucopyranosyl(α 1β1) D-glucopyranoside [23](#page=23). * **Diholosides réducteurs:** La liaison osidique se forme entre le groupe réducteur du premier ose et un groupe hydroxyle alcoolique du deuxième ose. La fonction carbonyle du deuxième ose reste libre, permettant l'existence de deux formes anomériques (α ou β) [23](#page=23). > **Tip:** La nomenclature des osides utilise le suffixe "-ose" pour un ose dont la fonction hémiacétalique est libre, "-osyl" pour le premier ose dont la fonction hémiacétalique est engagée dans la liaison, et "-oside" pour le dernier ose dont la fonction hémiacétalique est également engagée [24](#page=24). **Exemples de disaccharides :** * **Lactose:** Le sucre du lait, principal oside du lait de tous les mammifères. Il s'agit du D-galactopyranosyl(β1→4) D-glucopyranose. C'est un disaccharide réducteur [24](#page=24). * **Saccharose:** Le sucre de table, également trouvé dans la canne à sucre, les fruits et le miel. Il est composé d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose, unies par une liaison α 1→β2- osidique. C'est un disaccharide non réducteur [24](#page=24). * **Maltose:** Produit de l'hydrolyse des polyosides (amidon et glycogène) par des enzymes comme les amylases. Il est formé de deux molécules de glucose unies par une liaison α1→4 osidique. C'est un disaccharide réducteur. Sa nomenclature est D-glucopyranosyl(α1→4) D- glucopyranose [24](#page=24). #### 3.2.2 Hydrolyse enzymatique des disaccharides Les disaccharidases sont des enzymes spécifiques qui hydrolysent les disaccharides. Chaque enzyme reconnaît la nature des oses impliqués, la position de la liaison (par exemple, 1→4) et la configuration anomérique (α ou β) [25](#page=25). * **Exemple:** La lactase (β galactosidase) hydrolyse le lactose en glucose et galactose, tandis que la saccharase (α glucosidase) hydrolyse le saccharose en glucose et fructose [25](#page=25). ### 3.3 Polyosides Les polyosides sont formés de nombreuses molécules d'oses unies par des liaisons O-glycosidiques. Ils se différencient par le type et le nombre d'oses, le type de liaison entre les oses, et leur structure linéaire ou ramifiée. On distingue les homopolyosides et les hétéropolyosides [25](#page=25). #### 3.3.1 Homopolyosides Les homopolyosides résultent de la condensation de molécules d'oses identiques [25](#page=25). * **Amidon:** Fonctionne comme réserve énergétique chez les végétaux et est une source alimentaire humaine fondamentale. Il est composé de deux homopolyosides: l'amylose (environ 15 à 30%) avec des liaisons α-1,4, et l'amylopectine (environ 70 à 85%) avec des liaisons α-1,4 et α-1,6 [26](#page=26). * **Glycogène:** Polyoside de réserve chez l'homme, stocké dans le foie et les muscles. C'est un polyoside ramifié composé d'unités de D-glucose liées par des liaisons osidiques intra-chaînes (α 1→4) et interchaînes (α 1→6). Les ramifications se produisent environ tous les 10 résidus. L'hydrolyse est assurée par des α 1→4 glucosidases (α amylase salivaire et pancréatique) et des α 1→6 glucosidases (enzyme débranchante). La structure du glycogène est donc formée de molécules de glucose liées par des liaisons glycosidiques α 1,4, avec des branches créées par des liaisons glycosidiques α 1,6 tous les environ 10 résidus [26](#page=26). * **Cellulose:** Bien que mentionnée comme un exemple d'homopolyoside sa structure et sa fonction ne sont pas détaillées dans les pages fournies [25](#page=25). #### 3.3.2 Hétéropolyosides Les hétéropolyosides sont formés par la condensation de molécules d'oses différentes [25](#page=25). ### 3.4 Hétérosides Les hétérosides sont le résultat d'une association covalente de glucides avec d'autres molécules non glucidiques, appelées génine ou aglycone. La fonction réductrice d'un ose peut se lier à différents types de groupes [26](#page=26): * Hydroxyle alcoolique (par exemple, sur la sérine ou la thréonine d'une protéine) pour former une liaison O-hétéroside [26](#page=26). * L'azote d'une base purique ou pyrimidique pour former une liaison N-hétéroside [26](#page=26). * Un carbone de la génine pour former une liaison C-hétéroside [26](#page=26). * Un groupement thiol (-SH) pour former une liaison S-hétéroside [26](#page=26). Les types de molécules non glucidiques (aglycanes) associées aux hétérosides sont variés [27](#page=27): * **Lipides:** conduisant à des glycolipides [27](#page=27). * **Protéines :** * **Protéoglycanes (PG):** polymères glucidiques majoritaires associés à une protéine [27](#page=27). * **Peptidoglycanes:** un réseau de polyosides relié par de nombreux petits peptides [27](#page=27). * **Glycoprotéines (GP):** protéines majoritaires auxquelles sont greffées des chaînes glucidiques courtes [27](#page=27). * **Protéines glyquées:** caractérisées par la fixation d'une unité de glucose sur des protéines plasmatiques [27](#page=27). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Biochimie | Branche de la science qui étudie les réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, y compris les structures, fonctions et interactions des macromolécules biologiques. | | Organismes unicellulaires | Êtres vivants composés d'une seule cellule, tels que les protophytes (végétaux unicellulaires) et les levures (champignons unicellulaires). | | Organismes pluricellulaires | Êtres vivants composés de plusieurs cellules, généralement des eucaryotes, incluant les métaphytes (végétaux pluricellulaires) et les métazoaires (animaux pluricellulaires). | | Glucides | Biomolécules les plus abondantes sur Terre, souvent appelées sucres, qui servent de source et de stockage d'énergie, de précurseurs de biomolécules et de composants structuraux. | | Lipides | Molécules organiques insolubles dans l'eau, essentielles à la structure cellulaire (membranes) et au stockage d'énergie. | | Protéines | Macromolécules composées d'acides aminés, jouant des rôles variés tels que catalyseurs (enzymes), transporteurs et éléments structuraux. | | Acides nucléiques | Molécules responsables du stockage et de la transmission de l'information génétique, comme l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique). | | Oses | Monosaccharides, les glucides les plus simples, constitués d'une chaîne carbonée polyhydroxylée portant une fonction aldéhyde (aldoses) ou cétone (cétoses). | | Isomérie optique | Propriété de molécules chirales qui sont des images miroir non superposables l'une de l'autre, résultant de la présence d'au moins un carbone asymétrique. | | Carbone asymétrique | Un atome de carbone lié à quatre groupes ou atomes différents, conduisant à l'existence d'énantiomères. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance chirale à faire pivoter le plan de la lumière polarisée ; positif (+) pour dextrogyre (rotation à droite) et négatif (-) pour lévogyre (rotation à gauche). | | Diastéréoisomères | Stéréoisomères qui ne sont pas des images miroir l'un de l'autre et diffèrent par la configuration d'au moins un carbone asymétrique, mais pas tous. | | Épimères | Type particulier de diastéréoisomères qui diffèrent par la configuration d'un seul carbone asymétrique. | | Anomères | Isomères formés lors de la cyclisation des oses, qui diffèrent par la configuration du carbone anomérique (le carbone qui portait la fonction carbonyle dans la forme linéaire). | | Filiation des aldoses | Processus chimique (comme la synthèse de Kiliani-Fischer) qui allonge la chaîne carbonée d'un aldose par l'insertion d'un nouveau carbone asymétrique. | | Structure cyclique des oses | Conformation des oses en solution aqueuse où la fonction aldéhyde ou cétone réagit avec un groupe hydroxyle pour former un hémiacétal cyclique. | | Projection de Haworth | Représentation schématique des structures cycliques des oses, montrant le cycle dans un plan avec les substituants au-dessus ou en dessous. | | Liaison osidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle d'un autre ose ou d'une autre molécule, libérant une molécule d'eau. | | Holosides | Osides dont l'hydrolyse libère uniquement des molécules d'oses ; incluent les oligosides (2-10 oses) et les polyosides (>10 oses). | | Hétérosides | Osides formés par la liaison d'un ou plusieurs oses avec une partie non glucidique appelée aglycone. | | Oligosides | Osides constitués de 2 à 10 unités d'oses, tels que les disaccharides (ex: maltose, lactose, saccharose). | | Polyosides | Polysaccharides formés par la condensation de nombreuses unités d'oses ; peuvent être des homopolyosides (oses identiques, ex: amidon, cellulose) ou des hétéropolyosides (oses différents). | | Amidon | Homopolyoside végétal servant de réserve énergétique, composé d'amylose et d'amylopectine. | | Glycogène | Homopolyoside de réserve chez les animaux, principalement stocké dans le foie et les muscles, formé de glucose avec des ramifications. | | Liaison O-glycosidique | Liaison osidique formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle d'une autre molécule (souvent un alcool). | | Liaison N-glycosidique | Liaison osidique formée entre le carbone anomérique d'un ose et l'azote d'une base azotée (dans les nucléosides). |

# Structure et classification des lipides Les lipides sont des composés organiques caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques, et se divisent en lipides simples et complexes [1](#page=1). ### 1.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (C, H, O). Leur caractéristique distinctive est leur insolubilité dans l'eau, mais leur solubilité dans des solvants organiques tels que le chloroforme, l'éther et le benzène. La majorité de ces molécules sont formées d'un acide gras et d'un alcool. D'autres substances partageant un caractère hydrophobe, comme les stéroïdes et les vitamines liposolubles (A, D, E, K), sont également rattachées à la famille des lipides [1](#page=1). > **Tip:** Le caractère hydrophobe des lipides est crucial pour leur rôle dans la formation des membranes cellulaires. ### 1.2 Rôles des lipides Les lipides représentent environ 20 % du poids corporel et jouent plusieurs rôles essentiels dans l'organisme [1](#page=1): * **Source d'énergie:** Les acides gras constituent une source d'énergie significative, particulièrement lors de la $\beta$-oxydation qui se déroule dans les mitochondries [1](#page=1). * **Constitution des membranes cellulaires:** Les acides gras participent à la formation des phospholipides, composants fondamentaux des membranes cellulaires [1](#page=1). * **Isolement et protection des organes:** Le tissu adipeux, composé de lipides, assure l'isolation thermique du corps et protège les organes vitaux [2](#page=2). * **Transport des vitamines:** Les lipides facilitent l'absorption des vitamines liposolubles (A, D, E, K), indispensables à divers processus biologiques [2](#page=2). * **Stockage d'énergie:** Les acides gras sont stockés sous forme de triacylglycérols dans les cellules adipeuses, servant de réserves énergétiques [2](#page=2). * **Synthèse de molécules de signalisation:** Ils sont impliqués dans la synthèse de molécules telles que les prostaglandines, les thromboxanes et les leucotriènes [2](#page=2). ### 1.3 Classification des lipides Les lipides sont généralement subdivisés en deux catégories principales: les lipides simples et les lipides complexes [2](#page=2). #### 1.3.1 Lipides simples (homolipides) Les lipides simples, également appelés homolipides, sont composés uniquement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (C, H, O). Ils résultent de l'estérification d'un alcool par un acide gras. Selon la nature de l'alcool utilisé, on distingue trois classes de lipides simples [12](#page=12) [2](#page=2): * **Glycérides:** Formés lorsque l'alcool est le glycérol. Les glycérides sont aussi appelés acylglycérols. Le glycérol est un triol possédant trois fonctions alcool, deux primaires ($\alpha$ et $\alpha'$) et une secondaire ($\beta$) [12](#page=12). * **Cérides:** Formés lorsque l'alcool possède une longue chaîne carbonée non ramifiée et un nombre pair d'atomes de carbone. Les cérides ont des températures de fusion élevées, ce qui les rend solides à température ambiante, et sont très apolaires, donc insolubles dans l'eau [16](#page=16) [17](#page=17). * **Stérides:** Formés lorsque l'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Les stérides incluent diverses hormones stéroïdiennes telles que le cortisol (glucocorticoïde), l'aldostérone (minéralocorticoïde), la testostérone, l'œstradiol et la progestérone [12](#page=12) [16](#page=16). > **Example:** Les graisses alimentaires (triglycérides) sont un exemple courant de glycérides. La cire d'abeille est un exemple de cérides. #### 1.3.2 Lipides complexes Les lipides complexes contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, un ou plusieurs hétéroatomes tels que le phosphore (P), le soufre (S) ou l'azote (N). Ils constituent les principaux composants des membranes biologiques et, grâce à leur imperméabilité, permettent de délimiter les différents compartiments cellulaires. Les principales catégories de lipides complexes sont [17](#page=17): * **Glycérophospholipides:** La molécule de base est l'acide phosphatidique. Il est constitué d'une molécule de glycérol estérifiée par deux acides gras et une molécule d'acide phosphorique sur la troisième fonction alcool. Souvent, l'un des acides gras est saturé (en position C1) et l'autre est insaturé (en position C2). La substitution de l'acide phosphorique par d'autres groupes chimiques permet d'obtenir différents types de phospholipides [17](#page=17). * **Sphingolipides :** (Bien que mentionnés, les détails ne sont pas fournis dans les pages spécifiées pour cette section.) * **Glycolipides :** (Bien que mentionnés, les détails ne sont pas fournis dans les pages spécifiées pour cette section.) > **Tip:** La structure amphiphile (présence de régions hydrophiles et hydrophobes) des lipides complexes est fondamentale pour la formation des bicouches lipidiques des membranes cellulaires. --- # Acides gras : caractéristiques et nomenclature Cette section explore la structure fondamentale des acides gras, leur classification basée sur la saturation et la longueur de la chaîne carbonée, ainsi que les différentes méthodes de nomenclature utilisées en chimie. ### 2.1 Structure et caractéristiques générales des acides gras Les acides gras sont des acides monocarboxyliques de formule générale $R-COOH$. Le radical $R$ est une chaîne aliphatique de type hydrocarbure dont la longueur est variable et confère à la molécule son caractère hydrophobe. La fonction acide, quant à elle, constitue la partie hydrophile de la molécule [3](#page=3). La grande majorité des acides gras naturels partagent plusieurs caractéristiques communes : * Une chaîne linéaire [3](#page=3). * Un nombre pair d'atomes de carbone. La plupart des acides gras naturels comportent entre 14 et 24 atomes de carbone et plus spécifiquement entre 12 et 18 atomes de carbone pour la majorité. Le plus petit acide gras naturel est l'acide butyrique, composé de 4 atomes de carbone [3](#page=3) [4](#page=4). * Ils peuvent être saturés (sans double liaison) ou insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons). Le nombre maximal de doubles liaisons dans les acides gras naturels est de 6 [3](#page=3) [4](#page=4). Les acides gras sont des molécules amphipathiques, possédant un pôle hydrophile (la fonction acide) et une région hydrophobe (la chaîne hydrocarbonée). Les chaînes hydrocarbonées peuvent être linéaires, cycliques ou ramifiées. Elles ne sont pas hydrolysables dans le contexte de leur structure seule [3](#page=3). > **Tip:** La nature amphipathique des acides gras est cruciale pour la formation des membranes cellulaires et de structures comme les micelles. ### 2.2 Classification des acides gras La classification des acides gras repose principalement sur deux critères: la présence ou l'absence de doubles liaisons et le nombre d'atomes de carbone dans la chaîne aliphatique [4](#page=4). #### 2.2.1 Classification selon la saturation * **Acides gras saturés (AGS)**: Ils ne possèdent aucune double liaison dans leur chaîne carbonée. Leur formule générale est $C_nH_{2n}O_2$. Ils sont les plus abondants chez les mammifères [4](#page=4). * Exemple: L'acide palmitique est un AGS de 16 carbones, sa notation symbolique est $C_{16:0}$ et sa formule est $CH_3(CH_2)_{14}COOH$. L'acide stéarique est un AGS de 18 carbones, noté $C_{18:0}$ [5](#page=5) [7](#page=7). * **Acides gras insaturés (AGI)**: Ils possèdent au moins une double liaison dans leur chaîne carbonée. Leur formule générale est $C_nH_{2n-2x}O_2$, où $x$ représente le nombre de doubles liaisons. La plupart des acides gras insaturés naturels ont des longueurs de chaînes comprises entre 16 et 20 carbones [5](#page=5). > **Tip:** La présence de doubles liaisons, surtout en configuration *cis*, introduit des coudes dans la chaîne carbonée, ce qui affecte la fluidité et le point de fusion de l'acide gras. La classification des AGI se subdivise en : * **Acides gras mono-insaturés**: Ils possèdent une seule double liaison, généralement située entre les carbones $C_9$ et $C_{10}$ (monoéniques ou monoinsaturés) [5](#page=5). * Exemple: L'acide oléique est un mono-insaturé avec 18 carbones et une double liaison en position 9, noté $C_{18:1}\Delta^9$ ou $\omega9$ [5](#page=5) [6](#page=6). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Ils comportent plusieurs doubles liaisons séparées par un ou plusieurs groupements méthylène ($CH_2$). Les doubles liaisons multiples ne sont pas conjuguées [5](#page=5). * Exemples: L'acide linoléique ($C_{18:2}\Delta^{9,12}$) et l'acide $\alpha$-linolénique ($C_{18:3}\Delta^{9,12,15}$) sont des AGPI essentiels qui doivent être apportés par l'alimentation. L'acide arachidonique ($C_{20:4}\Delta^{5,8,11,14}$) est également un AGPI important [5](#page=5) [6](#page=6). #### 2.2.2 Classification selon la longueur de la chaîne carbonée En fonction du nombre d'atomes de carbone, on distingue : * **Acide gras à chaîne courte**: 2 à 10 carbones. Seuls ces acides gras sont solubles dans l'eau [10](#page=10) [4](#page=4). * **Acide gras à chaîne moyenne**: 12 à 18 carbones [4](#page=4). * **Acide gras à chaîne longue**: 20 à 36 carbones [4](#page=4). > **Tip:** La longueur de la chaîne carbonée et le degré d'insaturation sont les principaux déterminants des propriétés physico-chimiques des acides gras, notamment leur solubilité et leur point de fusion [10](#page=10). ### 2.3 Nomenclature des acides gras Il existe plusieurs systèmes de nomenclature pour désigner les acides gras. #### 2.3.1 Nomenclature internationale (systématique) Cette nomenclature chimique utilise l'ajout du suffixe "-oïque" pour les acides gras saturés et "-énoïque" pour les acides gras insaturés, en précisant la position des doubles liaisons et leur configuration (cis ou trans) [7](#page=7). * Acide palmitique (saturé, 16 carbones): acide hexadécanoïque. Notation symbolique: $C_{16:0}$ [7](#page=7). * Acide oléique (18 carbones, 1 double liaison): acide 9-octadécénoïque. Notation symbolique: $C_{18:1}\Delta^9$, cis [7](#page=7). * Acide linoléique (18 carbones, 2 doubles liaisons): acide 9,12-octadéca**di**énoïque. Notation symbolique: $C_{18:2}\Delta^{9,12}$, cis [7](#page=7). Pour les acides gras saturés, le symbole $C_n:0$ indique $n$ atomes de carbone et l'absence de double liaison [7](#page=7). #### 2.3.2 Nomenclature symbolique Cette notation, souvent utilisée, résume le nombre d'atomes de carbone et le nombre de doubles liaisons. * $C_n : m$ où $n$ est le nombre d'atomes de carbone et $m$ est le nombre de doubles liaisons. * Exemple : $C_{16:0}$ pour l'acide palmitique, $C_{18:1}$ pour l'acide oléique, $C_{18:2}$ pour l'acide linoléique. #### 2.3.3 Détermination de la position des doubles liaisons : $\Delta$ et $\omega$ La position des doubles liaisons dans les acides gras insaturés peut être exprimée de deux manières principales [8](#page=8) [9](#page=9): * **Par rapport au groupe carboxyle ($\Delta$)**: La numérotation commence par le carbone du groupe carboxyle ($COOH$) comme carbone 1. Le symbole $\Delta$ indique la position des doubles liaisons [8](#page=8). * $C_n: x \Delta^{m,n,...}$ où $n$ est le nombre de carbones, $x$ le nombre de doubles liaisons, et $m, n,...$ sont les positions des doubles liaisons à partir du $C_1$ [9](#page=9). * Exemple: Acide linoléique: $C_{18:2}\Delta^{9,12}$. Les doubles liaisons sont situées entre $C_9$ et $C_{10}$, et entre $C_{12}$ et $C_{13}$ [9](#page=9). * **Par rapport au groupe méthyle terminal ($\omega$ ou $n$)**: La numérotation commence par le carbone du groupe méthyle ($CH_3$) terminal comme carbone 1. Le symbole $\omega$ (oméga) est couramment utilisé en médecine clinique [8](#page=8). * $C_n: m \omega p$ où $n$ est le nombre d'atomes de $C$, $m$ le nombre de doubles liaisons, et $p$ la position de la première double liaison à partir du groupe méthyle terminal [8](#page=8). * Exemple: Acide linoléique: $C_{18:2}\omega6$. Cela signifie 18 atomes de carbone, 2 doubles liaisons, et la première double liaison se trouve sur le 6ème atome de carbone en partant du $CH_3$ terminal [8](#page=8) [9](#page=9). * Exemple: Acide $\alpha$-linolénique: $C_{18:3}\omega3$. Sa première double liaison se trouve sur le 3ème atome de carbone à partir du méthyle terminal [9](#page=9). > **Tip:** La nomenclature en $\omega$ est particulièrement utile pour classer les acides gras insaturés en "familles" (par exemple, les $\omega$-3, $\omega$-6) qui ont des rôles métaboliques distincts. #### 2.3.4 Configuration cis et trans La présence d'une double liaison confère deux configurations possibles à la chaîne aliphatique : * **Configuration *cis***: Les atomes d'hydrogène ($H$) substitués sont du même côté par rapport à la double liaison [6](#page=6). * **Configuration *trans***: Les atomes d'hydrogène ($H$) substitués se trouvent de part et d'autre de la double liaison [6](#page=6). La plupart des acides gras naturels sont de configuration *cis*. La configuration *trans*, souvent issue de processus industriels d'hydrogénation, a des implications métaboliques différentes et est moins courante dans la nature [6](#page=6). ### 2.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras sont principalement déterminées par la longueur et le degré d'insaturation de leur chaîne carbonée [10](#page=10). * **Solubilité dans l'eau**: Elle diminue avec l'allongement de la chaîne carbonée. Les acides gras avec des chaînes supérieures à 10 atomes de carbone deviennent quasiment insolubles dans l'eau, le caractère apolaire dominant le caractère polaire. Seuls les acides gras à chaîne courte (C4, C6) sont solubles dans l'eau. La présence de doubles liaisons influence également la solubilité [10](#page=10). * **Densité (masse volumique)**: La densité moyenne des acides gras se situe entre 0,8 et 0,95 g·cm⁻³. Cela explique pourquoi les huiles flottent sur l'eau [10](#page=10). > **Example:** L'acide butyrique ($C_4$) est soluble dans l'eau, tandis que l'acide palmitique ($C_{16}$) et l'acide oléique ($C_{18}$) sont insolubles. --- # Propriétés physiques et chimiques des acides gras Ce chapitre explore les propriétés physiques et chimiques fondamentales des acides gras, qui dictent leur comportement et leurs fonctions dans les systèmes biologiques. ### 3.1 Propriétés physiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras sont principalement déterminées par la longueur de leur chaîne carbonée et leur degré d'insaturation [10](#page=10). #### 3.1.1 Solubilité dans l'eau La solubilité des acides gras dans l'eau est influencée par deux facteurs majeurs [10](#page=10): * **La longueur de la chaîne carbonée:** La solubilité diminue avec l'allongement de la chaîne carbonée. Les acides gras deviennent quasiment insolubles lorsque la chaîne contient 10 atomes de carbone ou plus, car le caractère apolaire de la longue chaîne domine le caractère polaire du groupe carboxyle. Seuls les acides gras à chaîne courte (C4, C6) sont solubles dans l'eau [10](#page=10). * **La présence d'une ou plusieurs doubles liaisons :** L'insaturation tend à améliorer légèrement la solubilité par rapport à un acide gras saturé de même longueur de chaîne, bien que ce ne soit pas le facteur dominant. #### 3.1.2 Densité (masse volumique) La densité moyenne des acides gras se situe approximativement entre 0,8 et 0,95 g·cm⁻³. Cette densité inférieure à celle de l'eau explique pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [10](#page=10). #### 3.1.3 Point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle un acide gras passe de l'état solide à l'état liquide. Ce paramètre varie significativement en fonction de deux éléments clés [11](#page=11): * **Le nombre de carbones (n):** Plus le nombre de carbones dans la chaîne est important, plus le point de fusion est élevé [11](#page=11). * Les acides gras sont généralement liquides si n < 10 carbones [11](#page=11). * Ils sont généralement solides si n > 10 carbones [11](#page=11). * **Le degré d'insaturation:** L'augmentation du nombre de doubles liaisons entraîne une diminution de la température de fusion [11](#page=11). * **Exemple:** L'acide stéarique (C18:0), saturé, a un point de fusion de 69 °C. L'acide oléique (C18:1), monoinsaturé, fond à 13 °C. L'acide linoléique (C18:2), polyinsaturé, fond à -5 °C [11](#page=11). > **Tip:** La différence de point de fusion entre les acides gras saturés et insaturés est cruciale pour comprendre la fluidité des membranes cellulaires et l'état physique des graisses à température ambiante. ### 3.2 Propriétés chimiques des acides gras Les propriétés chimiques des acides gras découlent de la réactivité de deux de leurs composants principaux: le groupe carboxyle (–COOH) et les éventuelles doubles liaisons carbone-carbone [11](#page=11). #### 3.2.1 Réactions dues à la fonction carboxyle (–COOH) ##### 3.2.1.1 Formation de sels alcalins (les savons) En présence d'une base forte comme l'hydroxyde de sodium (NaOH) ou l'hydroxyde de potassium (KOH), les acides gras réagissent pour former des sels alcalins, communément appelés savons. Cette réaction est une neutralisation acide-base [11](#page=11). La réaction générale est la suivante : $$R\text{-}COOH + NaOH \rightarrow R\text{-}COO^-Na^+ + H_2O$$ où $R\text{-}COO^-Na^+$ représente le sel de sodium, un savon [11](#page=11). ##### 3.2.1.2 Estérification L'action d'un alcool sur un acide gras, en présence d'un catalyseur acide, conduit à la formation d'un ester et d'eau. Cette réaction est fondamentale pour la formation des lipides simples et complexes [11](#page=11). La réaction générale est la suivante : $$R\text{-}COOH + R'\text{-}OH \rightleftharpoons R\text{-}COO\text{-}R' + H_2O$$ où $R\text{-}COO\text{-}R'$ est un ester [11](#page=11). Dans les organismes vivants, les acides gras sont presque toujours présents sous forme d'esters, liés à divers types d'alcools, notamment le glycérol pour former les triglycérides [11](#page=11). #### 3.2.2 Réactions dues à la présence de doubles liaisons Les doubles liaisons carbone-carbone dans les chaînes d'acides gras insaturés sont des sites de réactivité chimique. Bien que non détaillées dans les pages fournies, ces réactions incluent typiquement : * **Hydrogénation :** Addition d'hydrogène sur les doubles liaisons, les transformant en liaisons simples et rendant l'acide gras saturé. Ce processus est utilisé industriellement pour solidifier les huiles végétales (margarine, shortening). * **Halogénation :** Addition d'halogènes (comme le brome) sur les doubles liaisons, permettant de les détecter et de quantifier le degré d'insaturation. * **Oxydation :** Les doubles liaisons sont sensibles à l'oxydation, ce qui peut entraîner le rancissement des graisses. Les réactions d'auto-oxydation sont initiées par des radicaux libres. * **Polymérisation :** Dans certaines conditions, les acides gras insaturés peuvent polymériser. --- # Types de lipides : glycérides, stérides et cérides Ce chapitre détaille les principales classes de lipides simples, incluant les glycérides, les stérides et les cérides, en abordant leur structure, leurs propriétés et leurs rôles biologiques. ### 4.1 Introduction aux lipides simples Les lipides simples, également appelés homolipides, sont des corps composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, résultant de l'estérification d'un alcool par un acide gras. En fonction de la nature de l'alcool estérifié, on distingue trois classes principales de lipides simples: les glycérides (lorsque l'alcool est le glycérol), les cérides (lorsque l'alcool possède une longue chaîne carbonée) et les stérides (lorsque l'alcool est un stérol comme le cholestérol) [12](#page=12). ### 4.2 Les glycérides (acylglycérides) Les glycérides, ou acylglycérols, sont des esters formés par la réaction entre le glycérol et des acides gras. Le glycérol est un triol, possédant trois fonctions alcool: deux primaires (notées $\alpha$ et $\alpha'$) et une secondaire (notée $\beta$) [12](#page=12). #### 4.2.1 Classification des glycérides Selon le nombre de fonctions alcool du glycérol estérifiées par des acides gras, on distingue : * **Monoglycérides**: un groupe hydroxyle du glycérol est estérifié [13](#page=13). * **Diglycérides**: deux groupes hydroxyles du glycérol sont estérifiés [13](#page=13). * **Triglycérides**: trois groupes hydroxyles du glycérol sont estérifiés [13](#page=13). Les glycérides peuvent également être classés selon la nature des acides gras : * **Glycérides simples homogènes**: tous les acides gras sont identiques (R1=R2 ou R1=R2=R3) [13](#page=13). * **Glycérides mixtes hétérogènes**: les acides gras sont différents [13](#page=13). #### 4.2.2 Propriétés et rôles des glycérides Les glycérides sont souvent appelés "graisses neutres" en raison de l'absence de charge nette [13](#page=13). * **Solubilité**: les monoglycérides et les diglycérides sont amphipathiques, tandis que les triglycérides sont très hydrophobes et insolubles dans l'eau [13](#page=13). * **Point de fusion**: les triglycérides contenant des acides gras saturés sont solides à température ambiante, alors que ceux contenant des acides gras insaturés sont liquides [13](#page=13). * **Hydrolyse**: l'hydrolyse, qu'elle soit acide ou enzymatique (par des lipases), libère du glycérol et des acides gras. L'hydrolyse alcaline produit des sels alcalins d'acides gras, communément appelés "savons" [13](#page=13). ##### 4.2.2.1 Rôles des triglycérides Les triglycérides n'ont pas de rôle structural majeur, mais sont essentiels comme réserve et source d'énergie, fournissant environ 9 kilocalories par gramme [13](#page=13). * **Stockage d'énergie**: ils sont stockés dans le tissu adipeux et mobilisés en cas de déficit énergétique, étant dégradés en acides gras pour la production d'ATP [13](#page=13). * **Isolation thermique**: le tissu adipeux sous-cutané assure une isolation thermique [13](#page=13). * **Rôles du tissu adipeux viscéral**: ce tissu, situé autour des organes, peut produire des facteurs d'inflammation et est associé à un risque accru de maladies cardiovasculaires et de diabète [13](#page=13). #### 4.2.3 Hydrolyse des triglycérides L'hydrolyse des triglycérides alimentaires est une étape cruciale pour leur absorption intestinale, car les molécules intactes ne peuvent traverser la barrière intestinale. Cette hydrolyse est principalement assurée par la lipase pancréatique, qui transforme les triglycérides en monoglycérides et deux acides gras [14](#page=14). Dans le tissu adipeux, l'hydrolyse complète des triglycérides fait intervenir trois enzymes successives : 1. L'ATGL (Adipose Triglyceride Lipase) hydrolyse le premier acide gras, produisant un diglycéride et un acide gras [14](#page=14). 2. La HSL (Hormone-Sensitive Lipase) hydrolyse le deuxième acide gras, produisant un monoglycéride et un acide gras [14](#page=14). 3. La MGL (Monoacylglycerol Lipase) hydrolyse le dernier acide gras, produisant du glycérol et un acide gras [14](#page=14). ### 4.3 Les stérides Les stérides appartiennent à la famille des stéroïdes, des molécules présentes chez les eucaryotes mais absentes chez les procaryotes. Leur structure de base est le noyau stérane, composé de quatre cycles accolés: trois cycles hexagonaux (A, B, C) et un cycle pentagonal (D). Cette structure rigide confère une certaine rigidité aux stérides [14](#page=14). Certains stéroïdes sont des stérols, caractérisés par la présence d'une fonction hydroxyle (OH). Le cholestérol est le principal stérol d'origine animale [14](#page=14). #### 4.3.1 Définition et exemples Les stérides sont des esters formés entre des acides gras et des stérols, le plus souvent du cholestérol. Les stérides dérivés du cholestérol sont spécifiquement appelés esters de cholestéryle [15](#page=15). > **Exemple :** Le palmitate de cholestéryle est un stérides. #### 4.3.2 Propriétés et rôles du cholestérol Le cholestérol libre possède une légère solubilité dans l'eau, mais le cholestérol estérifié est complètement hydrophobe. Le cholestérol est un constituant majeur de la membrane plasmique, où il joue un rôle crucial dans la fluidité membranaire. Il est également un précurseur de nombreuses molécules biologiquement actives [15](#page=15): * Acides biliaires [15](#page=15). * Vitamine D [15](#page=15). * Hormones stéroïdiennes [15](#page=15). ##### 4.3.2.1 Acides biliaires Les acides biliaires sont formés dans le foie à partir du cholestérol et stockés dans la vésicule biliaire [15](#page=15). * **Acides biliaires primaires**: acide cholique, acide chénodésoxycholique [15](#page=15). * **Acides biliaires secondaires**: acide désoxycholique, acide lithocholique [15](#page=15). ##### 4.3.2.2 Vitamine D La vitamine D (cholécalciférol) dérive du 7-déhydrocholestérol présent dans la peau, qui est converti sous l'action des rayons ultraviolets (UV). Elle joue un rôle important dans la minéralisation osseuse [15](#page=15). ##### 4.3.2.3 Hormones stéroïdiennes Les hormones stéroïdiennes sont dérivées du cholestérol et jouent des rôles physiologiques variés. * **Cortisol**: un glucocorticoïde qui intervient dans la régulation du métabolisme du glucose, favorise la dégradation des protéines, possède des propriétés anti-inflammatoires et immunomodulatrices [16](#page=16). * **Aldostérone**: un minéralocorticoïde qui régule l'équilibre hydroélectrolytique et contribue au maintien de la tension artérielle [16](#page=16). * **Testostérone**: contrôle la formation du sperme, le développement des organes génitaux et des caractères sexuels secondaires, et stimule l'anabolisme des protéines [16](#page=16). * **Estradiol**: induit la formation des organes génitaux féminins chez le fœtus, active la prolifération de l'endomètre et de l'épithélium vaginal, et contrôle les caractères sexuels secondaires [16](#page=16). * **Progestérone**: produite par l'ovaire et le corps jaune, elle agit sur l'utérus [16](#page=16). ### 4.4 Les cérides Les cérides sont des esters formés entre des acides gras et des alcools à longue chaîne non ramifiée, possédant un nombre pair d'atomes de carbone. Ils sont souvent appelés cires [16](#page=16). --- # Lipides complexes : glycérophospholipides et sphingolipides Les lipides complexes, incluant les glycérophospholipides et les sphingolipides, sont des constituants essentiels des membranes biologiques, jouant un rôle crucial dans la délimitation des compartiments cellulaires [17](#page=17). ### 5.1 Les glycérophospholipides La molécule de base des glycérophospholipides est l'acide phosphatidique. Cette structure est formée par un glycérol estérifié avec deux acides gras (souvent un saturé en position C1 et un insaturé en position C2) et un groupement acide phosphorique sur la troisième fonction alcool du glycérol. La nature de la substitution de l'acide phosphorique détermine les différentes classes de phospholipides [17](#page=17). #### 5.1.1 Principales classes de glycérophospholipides Les différentes classes de glycérophospholipides sont définies par la molécule greffée sur le groupement phosphate : * **Phosphatidyléthanolamines:** Acides phosphatidiques + Éthanolamine [18](#page=18). * **Phosphatidylsérines:** Acides phosphatidiques + Sérine [18](#page=18). * **Phosphatidylcholines (lécithines):** Acides phosphatidiques + Choline [18](#page=18). * **Phosphatidylinositols:** Acides phosphatidiques + Inositol [19](#page=19). > **Tip:** Les glycérophospholipides sont amphiphiles, c'est-à-dire qu'ils possèdent une tête polaire hydrophile (groupement phospho-alcool) et une double queue non polaire hydrophobe (deux chaînes acyles d'acides gras). Cette amphiphilicité leur permet de s'organiser en bicouches lipidiques en milieu aqueux, formant la structure fondamentale des membranes cellulaires [20](#page=20). ### 5.2 Les sphingolipides Les sphingolipides dérivent de la sphingosine, un amino-dialcool complexe. La sphingosine peut se lier à un acide gras saturé à longue chaîne par une liaison amide pour former la céramide. La céramide constitue le point de départ pour la synthèse des différents sphingolipides [20](#page=20). #### 5.2.1 Principaux sphingolipides Diverses molécules se greffent sur le groupement hydroxyle en C1 des céramides, conduisant à deux grandes catégories de sphingolipides : * **Sphingophospholipides (Sphingomyélines):** Ils sont caractérisés par une liaison ester entre le C1 de la céramide et un groupement phosphorylcholine. Les sphingomyélines se retrouvent particulièrement dans le tissu nerveux et les membranes cellulaires. Leur hydrolyse est assurée par les sphingomyélinases, qui clivent la liaison ester entre la céramide et la phosphorylcholine. Un déficit en sphingomyélinases entraîne une accumulation de sphingomyélines dans le cerveau, la rate et le foie, comme observé dans la maladie de Niemann-Pick [21](#page=21). * **Sphingoglycolipides (Glycosphingolipides) :** Ces lipides possèdent une liaison osidique. Ils comprennent plusieurs sous-classes : * **Cérébrogalactosides ou Galactosylcéramides:** Ils sont composés d'une céramide et d'un β-D-galactose, ce dernier étant lié à l'alcool primaire de la sphingosine par une liaison β-osidique [21](#page=21). * **Cérébroglucides ou Glucosylcéramides:** Ils sont constitués d'une céramide et d'un β-D-glucose [21](#page=21). * **Gangliosides ou Oligosylcéramides:** Ils sont formés d'une céramide liée à une chaîne de plusieurs oses [22](#page=22). > **Tip:** Les lipides complexes, en général, présentent des températures de fusion élevées, ce qui explique leur état solide à température ambiante, et sont très apolaires, ce qui les rend insolubles dans l'eau [17](#page=17). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Lipides | Composés organiques constitués principalement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques. Ils jouent des rôles essentiels comme source d'énergie, constituant des membranes et isolant. | | Acides gras | Acides monocarboxyliques de longue chaîne aliphatique, comportant un radical R qui confère le caractère hydrophobe. Ils peuvent être saturés (sans doubles liaisons) ou insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons). | | Lipides simples | Lipides composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils incluent les glycérides, les cérides et les stérides, formés par l'estérification d'un alcool par un acide gras. | | Lipides complexes | Lipides qui contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, des hétéroatomes comme le phosphore (P) et l'azote (N). Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques. | | Triglycérides | Esters formés par la réaction du glycérol avec trois molécules d'acides gras. Ils constituent la principale forme de stockage d'énergie dans le tissu adipeux et sont aussi appelés graisses neutres. | | Cholestérol | Principal stérol d'origine animale, c'est un lipide stéroïdien essentiel à la structure des membranes plasmiques et précurseur de nombreuses molécules biologiquement actives comme les hormones stéroïdiennes et la vitamine D. | | Acides biliaires | Composés formés dans le foie à partir du cholestérol, ils sont stockés dans la vésicule biliaire et jouent un rôle crucial dans la digestion et l'absorption des lipides dans l'intestin. | | Vitamine D | Vitamine liposoluble dérivée du cholestérol qui joue un rôle important dans la minéralisation osseuse, régulant l'absorption du calcium et du phosphore. | | Hormones stéroïdiennes | Hormones produites par les glandes surrénales et les gonades, dérivées du cholestérol. Elles incluent les glucocorticoïdes (cortisol), les minéralocorticoïdes (aldostérone) et les hormones sexuelles (testostérone, œstradiol, progestérone). | | Cérides | Esters formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne non ramifiée et à nombre pair d'atomes de carbone. Ils sont généralement solides à température ambiante et très apolaires. | | Glycérophospholipides | Principaux lipides complexes des membranes cellulaires, dérivés de l'acide phosphatidique. Ils possèdent une tête polaire hydrophile (groupe phosphate et alcool) et deux queues hydrophobes (chaînes d'acides gras). | | Sphingolipides | Classe de lipides complexes qui ont comme base la sphingosine, un amino-dialcool. Ils comprennent les sphingomyélines et les glycolipides, importants dans la structure des membranes neuronales. | | Bicouche lipidique | Structure fondamentale des membranes cellulaires, formée par l'organisation des molécules de phospholipides en deux couches parallèles. Les têtes hydrophiles sont orientées vers l'extérieur (milieu aqueux) et les queues hydrophobes vers l'intérieur. | | Sphingomyélines | Type de sphingolipides qui sont également des phospholipides. Ils sont particulièrement abondants dans le tissu nerveux et dans les membranes cellulaires. | | Glycolipides | Lipides complexes contenant des chaînes de sucres (oses) attachées à une partie lipidique. Ils jouent des rôles dans la reconnaissance cellulaire, l'adhésion et la signalisation. |

# Aminoácidos, péptidos e proteínas: propriedades gerais e classificação Este tópico abrange as características fundamentais dos aminoácidos, a ligação peptídica que os une para formar péptidos e proteínas, as suas diversas classificações, propriedades físico-químicas e sensoriais, bem como a estrutura e função das proteínas [1](#page=1). ### 1.1 Aminoácidos: a unidade fundamental Aminoácidos são compostos orgânicos que contêm um grupo amino ($\text{-NH}_2$) e um grupo carboxilo ($\text{-COOH}$) ligados ao mesmo átomo de carbono, conhecido como carbono alfa ($\alpha$). São os blocos de construção das proteínas [6](#page=6). #### 1.1.1 Estrutura geral de um aminoácido A estrutura geral de um aminoácido é representada por: $$ \text{H}_2\text{N}-\underset{\underset{\text{R}}{\mid}}{\text{C}\text{H}}-\text{COOH} $$ Onde: * O $\alpha$-carbono é o carbono quiral (exceto na glicina) [6](#page=6). * O grupo $\text{R}$ é a cadeia lateral, que varia entre os diferentes aminoácidos e determina as suas propriedades específicas [6](#page=6). * O grupo amino ($\text{-NH}_2$) e o grupo carboxilo ($\text{-COOH}$) são os grupos funcionais ionizáveis [17](#page=17). #### 1.1.2 Aminoácidos comuns componentes das proteínas Existem 20 aminoácidos comuns que compõem a maioria das proteínas encontradas nos seres vivos. Estes podem ser classificados de acordo com as propriedades da sua cadeia lateral $\text{R}$ [6](#page=6): **a) Aminoácidos apolares (com cadeias laterais alifáticas)** Estes aminoácidos tendem a ficar no interior das proteínas, longe da água [7](#page=7). * Glicina (Gly, G): A cadeia lateral é apenas um átomo de hidrogénio. É o único aminoácido aquiral [6](#page=6) [7](#page=7). * Alanina (Ala, A): Cadeia lateral de um grupo metilo ($\text{-CH}_3$) [6](#page=6). * Valina (Val, V): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Leucina (Leu, L): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Isoleucina (Ile, I): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Metionina (Met, M): Contém um átomo de enxofre na sua cadeia lateral [6](#page=6). * Prolina (Pro, P): A sua cadeia lateral cíclica liga-se ao grupo amino, formando um anel [6](#page=6). **b) Aminoácidos polares não carregados (com cadeias laterais polares)** Estes aminoácidos podem formar ligações de hidrogénio com a água e tendem a localizar-se na superfície das proteínas [7](#page=7). * Serina (Ser, S): Contém um grupo hidroxilo ($\text{-OH}$) na cadeia lateral [6](#page=6). * Treonina (Thr, T): Contém um grupo hidroxilo ($\text{-OH}$) na cadeia lateral e é quiral [6](#page=6). * Cisteína (Cys, C): Contém um grupo sulfidrilo ($\text{-SH}$) na cadeia lateral, que pode formar pontes dissulfureto [6](#page=6). * Tirosina (Tyr, Y): Derivado da fenilalanina com um grupo hidroxilo [6](#page=6). * Asparagina (Asn, N): Contém um grupo amida ($\text{-CONH}_2$) [6](#page=6). * Glutamina (Gln, Q): Contém um grupo amida ($\text{-CONH}_2$) [6](#page=6). **c) Aminoácidos com carga positiva (básicos)** Estes aminoácidos têm cadeias laterais que estão protonadas (carregadas positivamente) a pH fisiológico [8](#page=8). * Lisina (Lys, K): Cadeia lateral com um grupo amino terminal [6](#page=6). * Arginina (Arg, R): Cadeia lateral com um grupo guanidino [6](#page=6). * Histidina (His, H): A cadeia lateral contém um anel imidazol, que pode estar protonado ou desprotonado a pH fisiológico [6](#page=6). **d) Aminoácidos com carga negativa (ácidos)** Estes aminoácidos têm cadeias laterais que estão desprotonadas (carregadas negativamente) a pH fisiológico [8](#page=8). * Ácido aspártico (Asp, D): Cadeia lateral com um grupo carboxilo [6](#page=6). * Ácido glutâmico (Glu, E): Cadeia lateral com um grupo carboxilo [6](#page=6). #### 1.1.3 Aminoácidos pouco comuns Alguns aminoácidos não são diretamente incorporados nas proteínas durante a tradução, mas podem ser formados por modificação pós-traducional de aminoácidos comuns, ou ter outras funções biológicas [13](#page=13). * **Derivados de aminoácidos comuns:** * Hidroxiprolina e Hidroxilisina: Presentes no colagénio [13](#page=13). * Seleniocisteína: Incorporada em algumas proteínas [13](#page=13). * Gama-carboxyglutamato: Presente em proteínas envolvidas na coagulação sanguínea [13](#page=13). * **Intermediários metabólicos:** * Ornitina e Citrulina: Envolvidos no ciclo da ureia [15](#page=15). #### 1.1.4 Propriedades ácido-base dos aminoácidos Devido à presença dos grupos ionizáveis amino e carboxilo, os aminoácidos comportam-se como **compostos anfotéricos** (ou tampões). Podem doar e aceitar protões [17](#page=17). * **Zwitterion:** A forma predominante dos aminoácidos em pH neutro (aproximadamente pH 7) é o zwitterion, onde o grupo amino está protonado ($\text{-NH}_3^+$) e o grupo carboxilo está desprotonado ($\text{-COO}^-$) [17](#page=17). $$ \text{H}_3\text{N}^+-\underset{\underset{\text{R}}{\mid}}{\text{C}\text{H}}-\text{COO}^- $$ * **Ponto isoelétrico ($\text{pI}$):** É o pH no qual a carga líquida total de um aminoácido (ou péptido/proteína) é zero. Neste ponto, a solubilidade é mínima [18](#page=18). * Para aminoácidos neutros (como a glicina), o $\text{pI}$ é a média dos $\text{pKa}$ dos grupos $\alpha$-amino e $\alpha$-carboxilo [18](#page=18). $$ \text{pI} = \frac{\text{p}K_{a1} + \text{p}K_{a2}}{2} $$ * Para aminoácidos ácidos, o $\text{pI}$ é menor, pois possuem um grupo carboxilo extra na cadeia lateral [20](#page=20). * Para aminoácidos básicos, o $\text{pI}$ é maior, pois possuem um grupo amino ou guanidino extra na cadeia lateral [21](#page=21). * **Curvas de titulação:** Representam a variação do pH de uma solução de aminoácido à medida que se adicionam protões ou bases. Mostram os diferentes estados de ionização e os pontos de tamponamento [18](#page=18). #### 1.1.5 Atividade ótica Todos os aminoácidos, exceto a glicina, possuem um carbono $\alpha$ quiral. Isto significa que existem em duas formas estereoisoméricas: a forma L (levogira) e a forma D (dextrogira). Na natureza, predominantemente encontram-se na forma L, que é a utilizada para a síntese de proteínas [4](#page=4). #### 1.1.6 Propriedades sensoriais de aminoácidos Alguns aminoácidos possuem propriedades sensoriais importantes. * O **L-glutamato monosódico (MSG)** é um intensificador de sabor, conhecido como aditivo E621 [25](#page=25). * O **Aspartame (APME)** é um edulcorante não calórico, aditivo E951 [25](#page=25). ### 1.2 Péptidos Péptidos são cadeias curtas de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas [22](#page=22). #### 1.2.1 Ligação peptídica A ligação peptídica é formada pela reação de condensação entre o grupo $\alpha$-carboxilo de um aminoácido e o grupo $\alpha$-amino de outro aminoácido, com a libertação de uma molécula de água [22](#page=22). $$ \text{R}_1-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{NH}_2}{\text{C}}\text{H}} + \text{H}_2\text{N}-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{R}_2}{\text{C}}\text{H}} \longrightarrow \text{R}_1-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{NH}}{\text{C}}\text{H}}-\text{C}\text{O}-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{R}_2}{\text{C}}\text{H}} + \text{H}_2\text{O} $$ Esta reação é reversível por hidrólise. A ligação peptídica é planar e tem um caráter de dupla ligação parcial, o que restringe a rotação em torno dela [22](#page=22) [23](#page=23). #### 1.2.2 Classificação de péptidos * **Dipeptídeos:** Formados por 2 aminoácidos [23](#page=23). * **Tripeptídeos:** Formados por 3 aminoácidos [23](#page=23). * **Oligopeptídeos:** Formados por um pequeno número de aminoácidos (tipicamente até 20) [23](#page=23). * **Polipéptidos:** Formados por um grande número de aminoácidos [23](#page=23). #### 1.2.3 Propriedades dos péptidos * **Carga:** A carga total de um péptido depende dos aminoácidos constituintes e do pH do meio. Cada aminoácido nas extremidades da cadeia (N-terminal e C-terminal) contribui com um grupo amino e carboxilo, respetivamente, que podem estar ionizados. Os grupos $\text{R}$ das cadeias laterais também podem contribuir para a carga [24](#page=24). * **Funções biológicas:** Os péptidos desempenham uma vasta gama de funções biológicas, como hormonas (insulina, oxitocina), neurotransmissores e antibióticos [25](#page=25). * **Propriedades sensoriais:** Como mencionado, alguns péptidos, como o Aspartame, são utilizados como adoçantes [25](#page=25). ### 1.3 Proteínas Proteínas são polipéptidos (ou complexos de polipéptidos) com uma estrutura tridimensional específica que lhes confere a sua função biológica [1](#page=1). #### 1.3.1 Estrutura das proteínas A estrutura das proteínas é descrita em quatro níveis: * **Estrutura primária:** A sequência linear de aminoácidos numa cadeia polipeptídica. É determinada pela informação genética [1](#page=1). * **Estrutura secundária:** Padrões locais de enrolamento da cadeia polipeptídica, estabilizados por pontes de hidrogénio entre os átomos do esqueleto peptídico. Os padrões mais comuns são as $\alpha$-hélices e as $\beta$-folhas pregueadas [1](#page=1). * **Estrutura terciária:** A conformação tridimensional global de uma única cadeia polipeptídica, incluindo o empacotamento das estruturas secundárias e as interações entre as cadeias laterais $\text{R}$ (ligações dissulfureto, interações hidrofóbicas, pontes de hidrogénio, interações iónicas) [1](#page=1). * **Estrutura quaternária:** A organização de múltiplas cadeias polipeptídicas (subunidades) numa proteína funcional [1](#page=1). #### 1.3.2 Desnaturação de proteínas A desnaturação é a perda da estrutura tridimensional nativa de uma proteína, o que leva à perda da sua atividade biológica. Pode ser causada por calor, mudanças extremas de pH, agentes químicos (ureia, sais de guanidínio) ou força mecânica [1](#page=1). #### 1.3.3 Separação e quantificação de proteínas Métodos como eletroforese, cromatografia e espectrofotometria são utilizados para separar e quantificar proteínas [1](#page=1). --- > **Tip:** Ao estudar aminoácidos, preste atenção especial às cadeias laterais ($\text{R}$), pois são elas que ditam a maior parte das propriedades específicas de cada aminoácido e, consequentemente, das proteínas. > **Tip:** Compreender as curvas de titulação e o conceito de ponto isoelétrico ($\text{pI}$) é crucial para prever o comportamento dos aminoácidos e péptidos em diferentes condições de pH, especialmente em processos de separação e purificação. > **Tip:** Lembre-se que a forma L é a predominante na natureza para a síntese de proteínas, o que tem implicações importantes na estereoquímica das reações biológicas. --- # Estrutura das proteínas: primária, secundária, terciária e quaternária As proteínas exibem uma complexa hierarquia de estruturas que determinam a sua função, abrangendo desde a sequência linear de aminoácidos até à sua organização tridimensional completa [29](#page=29). ### 2.1 Níveis de estrutura das proteínas A estrutura de uma proteína é descrita em quatro níveis: primária, secundária, terciária e quaternária [29](#page=29). #### 2.1.1 Estrutura primária A estrutura primária refere-se à sequência linear única de aminoácidos numa cadeia polipeptídica. Esta sequência é determinada geneticamente e dita a forma como a proteína se irá dobrar. A ligação peptídica, formada entre o grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amino do seguinte, tem um caráter parcial de dupla ligação, o que confere rigidez e planaridade à ligação C-N. Esta planaridade restringe a rotação em torno da ligação peptídica, mas permite a rotação em torno das ligações C$\alpha$-C e N-C$\alpha$ [29](#page=29) [31](#page=31). #### 2.1.2 Estrutura secundária A estrutura secundária envolve a formação de padrões regulares e repetitivos nas regiões da cadeia polipeptídica, estabilizados por ligações de hidrogénio entre átomos da cadeia principal. Os dois tipos mais comuns de estrutura secundária são a $\alpha$-hélice e a folha $\beta$ [30](#page=30). ##### 2.1.2.1 A $\alpha$-hélice A $\alpha$-hélice é uma estrutura em espiral onde a cadeia polipeptídica se enrola em torno de um eixo central. Cada resíduo de aminoácido avança cerca de 3.6 unidades por volta da hélice. As ligações de hidrogénio ocorrem entre o grupo carbonilo (C=O) de um resíduo de aminoácido e o grupo amino (N-H) do resíduo localizado quatro posições adiante na sequência (i $\rightarrow$ i+4). As $\alpha$-hélices podem ser de enrolamento à direita (mais comuns) ou à esquerda [33](#page=33) [34](#page=34). ##### 2.1.2.2 A folha $\beta$ A folha $\beta$ consiste em segmentos de cadeia polipeptídica (fitas $\beta$) que se alinham lado a lado, formando uma estrutura semelhante a uma folha dobrada. As ligações de hidrogénio formam-se entre os grupos C=O e N-H de resíduos em fitas adjacentes. As fitas $\beta$ podem ser paralelas (correndo na mesma direção N-terminal para C-terminal) ou antiparalelas (correndo em direções opostas). As dobras $\beta$ são frequentemente encontradas em segmentos que contêm prolina (Pro) ou glicina (Gly), que induzem curvaturas na cadeia polipeptídica [36](#page=36) [37](#page=37). ##### 2.1.2.3 Outras estruturas secundárias Para além das $\alpha$-hélices e das folhas $\beta$, existem outras estruturas secundárias como voltas e laços que conectam os elementos regulares da estrutura secundária [37](#page=37). > **Tip:** A análise dos ângulos diédricos ($\phi$ e $\psi$) permitidos para os aminoácidos, representada em diagramas de Ramachandran, é crucial para prever e compreender as conformações possíveis da estrutura secundária [32](#page=32) [38](#page=38). #### 2.1.3 Estrutura terciária A estrutura terciária refere-se à conformação tridimensional completa de uma única cadeia polipeptídica, incluindo a disposição espacial de todas as suas estruturas secundárias, laços e regiões não estruturadas. Esta estrutura é determinada pelas interações entre as cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos. Estas interações incluem [39](#page=39) [40](#page=40): * **Ligações de hidrogénio:** Entre grupos polares das cadeias laterais [41](#page=41). * **Interações hidrofóbicas:** Grupos R apolares tendem a agrupar-se no interior da proteína, longe do ambiente aquoso [40](#page=40) [41](#page=41). * **Interações iónicas (pontes salinas):** Entre grupos R carregados positiva e negativamente [40](#page=40) [41](#page=41). * **Forças de Van der Waals:** Interações fracas entre grupos apolares próximos [40](#page=40). * **Ligações dissulfureto:** Ligações covalentes fortes formadas entre os grupos tiol (-SH) de dois resíduos de cisteína, que estabilizam significativamente a estrutura terciária [41](#page=41). > **Example:** A quimotripsina é um exemplo de proteína com uma estrutura terciária bem definida, crucial para a sua atividade catalítica [39](#page=39). #### 2.1.4 Estrutura quaternária A estrutura quaternária surge quando duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades) se associam para formar uma única proteína funcional. Estas subunidades interagem umas com as outras através das mesmas forças que estabilizam a estrutura terciária (interações hidrofóbicas, pontes de hidrogénio, interações iónicas e, ocasionalmente, ligações dissulfureto entre subunidades) [42](#page=42). > **Example:** A hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigénio no sangue, é um exemplo clássico de proteína com estrutura quaternária, composta por quatro subunidades (duas $\alpha$-globinas e duas $\beta$-globinas) [43](#page=43). > **Example:** Proteínas fibrosas, como a queratina (encontrada no cabelo e unhas) e o colagénio (componente do tecido conjuntivo), também exibem estruturas terciária e quaternária que lhes conferem propriedades mecânicas específicas. A estrutura quaternária da queratina é particularmente estabilizada por pontes dissulfureto, o que explica a diferença entre cabelo liso e encaracolado, dependendo do número e disposição destas ligações. A estrutura do colagénio é caracterizada por uma repetição de sequência como Gly-X-Pro ou Gly-X-4-Hyp [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). > **Tip:** A perda ou alteração destes níveis de estrutura (desnaturação) pode levar à perda da função biológica da proteína, sendo frequentemente irreversível [40](#page=40). --- # Separação e quantificação de proteínas Este tópico explora as técnicas cruciais para isolar e determinar a quantidade de proteínas em amostras complexas, focando em métodos cromatográficos e eletroforéticos [52](#page=52). ### 3.1 Cromatografia em coluna A cromatografia em coluna é uma técnica fundamental para a separação de proteínas com base em diferentes propriedades físico-químicas. O processo envolve a passagem de uma amostra de proteína através de uma coluna empacotada com um material estacionário (fase estacionária), enquanto uma fase móvel (geralmente um tampão aquoso) flui através dela. As proteínas que interagem mais fortemente com a fase estacionária são retidas por mais tempo, enquanto aquelas com interações mais fracas eluem mais rapidamente, permitindo a separação [52](#page=52). #### 3.1.1 Cromatografia de troca iónica Esta técnica separa proteínas com base na sua carga líquida. Utiliza resinas com grupos carregados que se ligam a proteínas com carga oposta. A eluição é conseguida alterando a força iónica (concentração de sal) do tampão ou o pH. Proteínas com carga positiva ligam-se a resinas carregadas negativamente (trocadores aniónicos), e proteínas com carga negativa ligam-se a resinas carregadas positivamente (trocadores catiónicos) [53](#page=53). > **Tip:** A escolha do pH do tampão é crucial, pois determina a carga líquida das proteínas e, consequentemente, a sua interação com a resina de troca iónica. #### 3.1.2 Cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) Também conhecida como cromatografia de gel filtração, esta técnica separa proteínas com base no seu tamanho e forma hidrodinâmica. A fase estacionária consiste em esferas porosas com um tamanho de poro definido. Proteínas maiores que o diâmetro dos poros não entram nas esferas e eluem primeiro (exclusão). Proteínas menores entram nas esferas e têm um percurso mais longo, eludindo mais tarde [54](#page=54). > **Tip:** A SEC é útil para fracionar misturas de proteínas e para determinar o peso molecular aproximado de proteínas purificadas. #### 3.1.3 Cromatografia de afinidade Esta é uma das técnicas mais específicas, baseada na interação reversível entre uma proteína de interesse e um ligando específico imobilizado na fase estacionária. O ligando pode ser um anticorpo, um substrato, um cofator ou qualquer outra molécula que se ligue especificamente à proteína alvo. Após a ligação da proteína alvo, ela é eluída por alteração das condições, como pH, força iónica ou adição de um competidor [55](#page=55). > **Example:** Para purificar uma enzima que liga um substrato específico, um análogo desse substrato pode ser imobilizado na resina. A enzima ligar-se-á a este substrato imobilizado, enquanto outras proteínas passarão sem ligação [55](#page=55). ### 3.2 Eletroforese A eletroforese utiliza um campo elétrico para separar moléculas carregadas, como proteínas, com base na sua carga, tamanho e forma. As proteínas migram em direção ao elétrodo de carga oposta. A maioria das técnicas eletroforéticas utiliza um gel (como poliacrilamida ou agarose) como matriz para aumentar a resolução da separação [57](#page=57). #### 3.2.1 SDS-PAGE (Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecil sulfato de sódio) A SDS-PAGE é a técnica de eletroforese mais comum para separar proteínas com base no seu tamanho. O SDS (dodecilsulfato de sódio) é um detergente aniónico que se liga às proteínas, conferindo-lhes uma carga líquida negativa uniforme e desdobrando a sua estrutura tridimensional. Isto significa que, no gel, as proteínas migram primariamente de acordo com o seu tamanho molecular, sendo separadas em fragmentos de diferentes pesos moleculares. A massa molecular relativa ($M_r$) de uma proteína pode ser determinada comparando a sua migração com a de proteínas de peso molecular conhecido (marcadores de peso molecular) [58](#page=58). > **Tip:** A SDS-PAGE é frequentemente usada em conjunto com colorações para visualizar as proteínas separadas no gel. #### 3.2.2 Focagem isoelétrica (IEF) A focagem isoelétrica (IEF) separa proteínas com base na sua carga líquida intrínseca, ou seja, no seu ponto isoelétrico (pI). Numa IEF, um gradiente de pH é estabelecido num gel. As proteínas migram através deste gradiente até atingirem o pH onde a sua carga líquida é zero, que é o seu ponto isoelétrico. Neste ponto, a força motriz eletroforética cessa, e as proteínas param de migrar, concentrando-se numa banda estreita [59](#page=59). > **Example:** Uma proteína com um pI de 6.5 irá migrar para a região do gel onde o pH é 6.5 e aí permanecerá [59](#page=59). #### 3.2.3 Eletroforese bidimensional (2D-PAGE) A eletroforese bidimensional combina duas técnicas de separação para obter uma resolução muito elevada de misturas complexas de proteínas. Tipicamente, a primeira dimensão envolve a focagem isoelétrica (IEF) para separar as proteínas com base no seu ponto isoelétrico. As proteínas separadas na primeira dimensão são então transferidas para um segundo gel para uma eletroforese SDS-PAGE, separando-as com base no seu peso molecular. O resultado é um mapa bidimensional de pontos, onde cada ponto representa uma proteína única com características específicas de pI e peso molecular [60](#page=60). > **Tip:** A 2D-PAGE é uma ferramenta poderosa para a proteómica, permitindo analisar alterações na expressão de proteínas em diferentes condições [60](#page=60). --- # Determinação da estrutura e modificações de proteínas Este tópico explora os métodos para elucidar a estrutura das proteínas em seus diversos níveis (primária, secundária, terciária e quaternária), as técnicas para identificar modificações pós-traducionais e a relevância da desnaturação e de modificações reversíveis para a função proteica. ### 4.1 Determinação da estrutura primária de proteínas A estrutura primária de uma proteína refere-se à sua sequência linear de aminoácidos. A elucidação desta sequência é fundamental para compreender a estrutura e função de uma proteína [61](#page=61). #### 4.1.1 Método de degradação de Edman O método de degradação de Edman é uma técnica clássica para a determinação da estrutura primária de proteínas. Este método permite a identificação sequencial dos aminoácidos N-terminais de uma cadeia polipeptídica. O processo envolve a reação do aminoácido N-terminal com fenilisotiocianato (PITC) em condições alcalinas, formando um derivado feniltiocarbamoil (PTC). Este derivado é então clivado da proteína em condições ácidas, liberando um único aminoácido como um derivado tiazolinona, enquanto o restante da cadeia polipeptídica permanece intacto. A tiazolinona é subsequentemente convertida em um derivado feniltiohidantoína (PTH-aminoácido) por tratamento ácido adicional, que pode então ser identificado por cromatografia. O processo é repetido cíclicamente para determinar a sequência completa [62](#page=62). > **Tip:** A degradação de Edman é mais eficaz para sequenciar fragmentos de proteínas menores ou para identificar os primeiros aminoácidos da cadeia. Para proteínas maiores, é comum clivar a proteína em fragmentos menores utilizando enzimas específicas (como tripsina ou pepsina) e, em seguida, sequenciar esses fragmentos. #### 4.1.2 Quebra de pontes dissulfureto Pontes dissulfureto (ligações S-S) são ligações covalentes que unem resíduos de cisteína, contribuindo para a estabilidade da estrutura tridimensional das proteínas. Para determinar a estrutura primária completa, especialmente em proteínas onde as pontes dissulfureto influenciam a sequência ou o dobramento, é necessário quebrar essas ligações. A quebra pode ser realizada por agentes redutores, como o ditiotreitol (DTT) ou mercaptoetanol, que reduzem as pontes dissulfureto a grupos tiol (-SH). Após a redução, os resíduos de cisteína podem ser posteriormente modificados para evitar a reforma das pontes dissulfureto, como a carboximetilação, antes de proceder à análise da sequência [12](#page=12) [63](#page=63). ### 4.2 Determinação das estruturas secundária, terciária e quaternária de proteínas A determinação das estruturas de ordem superior de proteínas (secundária, terciária e quaternária) fornece informações cruciais sobre a conformação tridimensional e, consequentemente, sobre a função biológica [64](#page=64). #### 4.2.1 Difração de raios-X A difração de raios-X é uma técnica poderosa para determinar a estrutura tridimensional de proteínas em estado cristalino. O processo envolve o bombardeamento de um cristal de proteína com um feixe de raios-X. Os átomos no cristal espalham os raios-X, e o padrão de difração resultante é detectado em uma placa fotográfica ou detector eletrônico. A análise matemática deste padrão de difração, utilizando transformadas de Fourier, permite a reconstrução da densidade eletrônica da molécula e, subsequentemente, a determinação da sua estrutura atômica [64](#page=64). > **Tip:** A qualidade do cristal é um fator limitante para o sucesso da difração de raios-X. Obter cristais de proteínas de alta qualidade pode ser um processo desafiador e demorado. #### 4.2.2 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) A Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é outra técnica fundamental para determinar a estrutura tridimensional de proteínas, especialmente para moléculas em solução. A RMN explora as propriedades magnéticas dos núcleos atômicos, como o próton ($^1$H) e o carbono-13 ($^{13}$C) [65](#page=65). Um espectro de RMN de prótons ($^1$H) de uma proteína exibe picos que correspondem aos diferentes átomos de hidrogênio presentes na molécula. A posição (deslocamento químico) de cada pico é altamente sensível ao ambiente químico do átomo de hidrogênio, sendo influenciada pelas estruturas secundária, terciária e quaternária da proteína [65](#page=65). A partir de dados de RMN bidimensionais (como NOESY - Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy), é possível obter informações sobre distâncias inter-atômicas entre prótons que estão próximos no espaço, mesmo que não estejam covalentemente ligados na sequência. Essas distâncias são usadas como restrições para calcular um conjunto de estruturas tridimensionais possíveis que se ajustam aos dados experimentais [66](#page=66). > **Example:** Um grupo de prótons localizado perto de um átomo de oxigênio eletronegativo apresentará um deslocamento químico maior (irá para uma região de campo mais baixo no espectro RMN) em comparação com um grupo de prótons em um ambiente menos eletronegativo. ### 4.3 Modificações reversíveis dos aminoácidos As modificações reversíveis dos resíduos de aminoácidos em proteínas são mecanismos cruciais para a regulação da atividade proteica e para a transdução de sinais nas células. Ao contrário das modificações permanentes, essas alterações podem ser adicionadas e removidas, permitindo que as células respondam rapidamente a estímulos [14](#page=14). > **Tip:** Exemplos comuns de modificações reversíveis incluem a fosforilação, a acetilação, a metilação, a glicosilação e a ubiquitinação. #### 4.3.1 Fosforilação A fosforilação é uma das modificações pós-traducionais mais comuns e importantes. Envolve a adição de um grupo fosfato a resíduos específicos de aminoácidos, tipicamente serina, treonina ou tirosina, catalisada por enzimas chamadas quinases. A adição do grupo fosfato, que é carregado negativamente, pode alterar drasticamente as propriedades eletrostáticas da proteína, afetando sua conformação, interações com outras moléculas e atividade catalítica. A remoção do grupo fosfato é realizada por fosfatases, permitindo a desfosforilação e a reversão da modificação. Este ciclo de fosforilação/desfosforilação é central em muitas vias de sinalização celular [14](#page=14). ### 4.4 Desnaturação de proteínas A desnaturação é o processo pelo qual uma proteína perde sua estrutura tridimensional nativa (secundária, terciária e quaternária), resultando na perda de sua atividade biológica. A estrutura primária (sequência de aminoácidos) geralmente permanece intacta, a menos que ocorra hidrólise de ligações peptídicas [20](#page=20). > **Example:** A desnaturação pode ser causada por fatores como calor, alterações extremas de pH, certos solventes orgânicos, detergentes e sais de alta concentração. Por exemplo, o calor excessivo desnatura as proteínas cozinhando o alimento, alterando a textura e a cor devido à agregação das proteínas desnaturadas. A desnaturação pode ser reversível ou irreversível, dependendo das condições e da extensão da danificação da estrutura proteica. Em alguns casos, a remoção do agente desnaturante pode permitir que a proteína retorne à sua conformação nativa e recupere sua atividade (renaturação). No entanto, em muitos casos, a desnaturação leva à agregação e perda permanente da função. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Term | Definition | |------|------------| | Aminoácido | Molécula orgânica que contém um grupo amino ($-\text{NH}_2$) e um grupo carboxilo ($-\text{COOH}$). São os blocos de construção das proteínas. | | Ligação peptídica | Ligação covalente que se forma entre o grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amino de outro aminoácido, liberando uma molécula de água (reação de condensação). | | Péptido | Cadeia curta de aminoácidos ligada por ligações peptídicas. | | Proteína | Molécula complexa composta por uma ou mais cadeias polipeptídicas, que desempenha uma vasta gama de funções biológicas. | | Estrutura primária | A sequência linear de aminoácidos numa cadeia polipeptídica, determinada pela informação genética. | | Estrutura secundária | Padrões locais de enrolamento da cadeia polipeptídica, estabilizados por ligações de hidrogénio entre os átomos do esqueleto peptídico, como as alfa-hélices e as folhas beta. | | Estrutura terciária | A conformação tridimensional global de uma única cadeia polipeptídica, resultante das interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos. | | Estrutura quaternária | A disposição espacial de múltiplas subunidades polipeptídicas num complexo proteico funcional. | | Desnaturação | Processo que leva à perda da estrutura tridimensional nativa de uma proteína, geralmente por aquecimento, alterações de pH ou ação de agentes químicos, resultando na perda da sua atividade biológica. | | Propriedades ácido-base | Característica dos aminoácidos de poderem atuar como ácidos ou bases, devido à presença dos grupos amino e carboxilo ionizáveis. | | Atividade ótica | Capacidade de compostos quirais, como os aminoácidos (exceto a glicina), de rodar o plano da luz polarizada. | | Ponte dissulfureto | Ligação covalente forte formada entre os grupos tiol ($-\text{SH}$) de dois resíduos de cisteína, contribuindo para a estabilização da estrutura terciária e quaternária das proteínas. | | Cromatografia em coluna | Técnica de separação que envolve a passagem de uma amostra através de uma coluna contendo uma fase estacionária, permitindo a separação dos componentes com base nas suas interações com a fase estacionária e a fase móvel. | | Eletroforese | Técnica de separação que utiliza um campo elétrico para mover moléculas carregadas através de uma matriz (gel), separando-as com base na sua carga, tamanho e forma. | | Focagem isoelétrica (IEF) | Técnica de eletroforese que separa proteínas com base no seu ponto isoelétrico (pI), o pH no qual a proteína tem carga líquida zero. | | SDS-PAGE | Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecilsulfato de sódio. Uma técnica comum para separar proteínas com base no seu tamanho após a desnaturação e a introdução de uma carga negativa uniforme. | | Massa molar relativa ($M_r$) | O peso molecular de uma substância, expresso como um número adimensional. Na eletroforese, a SDS-PAGE é frequentemente utilizada para determinar a $M_r$ de proteínas. | | Ponto isoelétrico (pI) | O pH no qual uma molécula de aminoácido, péptido ou proteína tem uma carga elétrica líquida de zero. |

# Introdução às enzimas e suas propriedades Este tópico explora a natureza, função e características fundamentais das enzimas, destacando seu papel crucial na aceleração de reações biológicas. ### 1.1 Definição e natureza das enzimas Enzimas são catalisadores biológicos que aceleram significativamente a velocidade das reações químicas no organismo. A grande maioria das enzimas são proteínas, mas algumas moléculas de RNA, conhecidas como ribozimas, também possuem capacidade catalítica. Elas desempenham um papel essencial, pois sem sua ação, a maioria das reações celulares ocorreria a velocidades muito baixas ou nem ocorreria nas condições biológicas normais (temperatura, pH neutro e ambiente aquoso) [3](#page=3). ### 1.2 Mecanismo de ação enzimática As enzimas aumentam a velocidade das reações biológicas ao diminuir seletivamente a energia de ativação. A energia de ativação é a energia necessária para que uma reação ocorra. As enzimas não são consumidas durante o processo catalítico, permanecendo intactas ao final da reação e podendo ser reutilizadas em novos ciclos catalíticos [17](#page=17) [20](#page=20) [3](#page=3) [4](#page=4). É crucial entender que as enzimas não afetam o equilíbrio químico de uma reação, nem a sua constante de equilíbrio ($K_{eq}$). Elas apenas aceleram a taxa na qual o equilíbrio é atingido. A posição e a direção do equilíbrio são determinadas pela energia livre dos reagentes e produtos, que não é alterada pela presença da enzima [17](#page=17) [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21) [3](#page=3). > **Tip:** Embora a reação possa ser termodinamicamente favorável (Δ$G$ < 0), uma alta energia de ativação pode impedir que ela ocorra espontaneamente em uma velocidade detectável. As enzimas superam essa barreira [20](#page=20). ### 1.3 Propriedades das enzimas As enzimas exibem várias propriedades distintivas que as tornam catalisadores biológicos eficientes e específicos: #### 1.3.1 Alta especificidade Uma característica marcante das enzimas é a sua alta especificidade para o substrato. Elas são capazes de distinguir substratos com estruturas muito semelhantes e ignorar moléculas competidoras. Essa especificidade garante que cada enzima catalise apenas uma reação específica ou um pequeno conjunto de reações quimicamente semelhantes [4](#page=4). #### 1.3.2 Necessidade em pequenas quantidades Enzimas são necessárias em quantidades muito pequenas em comparação com a quantidade de substrato que processam. Isso se deve ao fato de não serem consumidas na reação e serem reutilizadas repetidamente [19](#page=19) [4](#page=4). #### 1.3.3 Suscetibilidade à regulação e inibição A atividade enzimática pode ser modulada e regulada. Isso pode ocorrer através de modificações covalentes reversíveis (como a fosforilação), ligação de reguladores alostéricos, ativação por proteólise, entre outros mecanismos [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.3.4 Importância da estrutura conformacional A integridade da conformação nativa da enzima é essencial para sua atividade catalítica. Desnaturação, dissociação de subunidades ou degradação levam à perda da forma tridimensional, resultando na perda da atividade catalítica. As estruturas primária, secundária, terciária e quaternária são todas cruciais para a função enzimática [4](#page=4). #### 1.3.5 Local ativo O local ativo é uma região específica na enzima onde o substrato se liga e a reação catalítica ocorre, convertendo o substrato em produto. A forma do local ativo é determinada pela estrutura terciária da enzima e deve ser complementar à do substrato para que a catálise aconteça. Alterações na forma geral da enzima afetam a forma do local ativo e, consequentemente, sua atividade catalítica [5](#page=5). > **Tip:** O poder catalítico e a especificidade das enzimas resultam de interações fracas não covalentes (como interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas) que elas estabelecem com o substrato [5](#page=5). #### 1.3.6 Influência de fatores externos A atividade das enzimas é influenciada por fatores como pH e temperatura. Cada enzima possui um pH ótimo, pois o estado de ionização dos resíduos de aminoácidos no local ativo e em outras partes da proteína é sensível às variações de pH. Da mesma forma, a temperatura afeta a velocidade da reação; uma diminuição na temperatura geralmente reduz a velocidade da reação, pois menos moléculas terão energia suficiente para superar a barreira de ativação. As enzimas também possuem uma temperatura ótima para sua atividade [19](#page=19) [20](#page=20). ### 1.4 Modelos de interação enzima-substrato O modelo "chave-fechadura" descreve a complementaridade rígida entre enzima e substrato no local ativo. No entanto, este modelo é limitado, pois ignora a flexibilidade enzimática e as mudanças conformacionais que ocorrem durante a ligação do substrato. Além disso, não considera a estabilização do estado de transição, um fator crucial para a diminuição da energia de ativação. Modelos mais recentes e precisos consideram a indução de encaixe e a estabilização do estado de transição [13](#page=13) [21](#page=21). ### 1.5 Efeitos da enzima sobre parâmetros de reação Em uma reação que pode ocorrer com ou sem catálise enzimática: * **(a) Variação da energia livre padrão da reação ($\Delta G^0$):** A enzima **não altera** a variação da energia livre padrão da reação. Esta depende das condições padrão (temperatura, pressão, concentração inicial de substrato e produto) e da natureza do substrato e do produto [21](#page=21). * **(b) Energia de ativação da reação:** A enzima **diminui** a energia de ativação da reação. Ela estabiliza o estado de transição, facilitando a reação e permitindo que ela ocorra mais rapidamente [21](#page=21). * **(c) Velocidade inicial da reação:** A enzima **aumenta** a velocidade inicial da reação [21](#page=21). * **(d) Constante de equilíbrio da reação ($K_{eq}$):** A enzima **não altera** a constante de equilíbrio da reação. O equilíbrio é atingido mais rapidamente, mas a posição do equilíbrio permanece a mesma [17](#page=17) [21](#page=21). > **Example:** As enzimas são catalisadores altamente eficientes, podendo aumentar a velocidade de reações químicas em milhares ou milhões de vezes [19](#page=19). --- # Mecanismos de catálise enzimática e energia de ativação As enzimas aumentam a velocidade das reações químicas ao diminuírem a energia de ativação necessária para que a reação ocorra [11](#page=11) [21](#page=21). ### 2.1 A reação química e a energia de ativação A energia livre (G) de um sistema é representada em função do progresso da reação, partindo do substrato (S) para o produto (P). Uma reação química requer a superação de uma barreira energética entre o estado fundamental do substrato e o estado fundamental do produto [10](#page=10) [9](#page=9). * A velocidade das reações pode ser aumentada pelo aumento da temperatura, aumento da pressão ou adição de catalisadores [10](#page=10). * Uma energia de ativação mais elevada resulta numa reação mais lenta [10](#page=10). O topo desta barreira energética, a partir do qual o decaimento para substrato ou produto tem a mesma probabilidade, é o **estado de transição** (‡). A **energia de ativação** (ΔG‡) é a diferença entre os níveis de energia do estado fundamental e do estado de transição. Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação. Enquanto a energia livre (ΔG’º) indica se uma reação pode ocorrer, a energia de ativação (ΔG‡) determina a rapidez com que ela ocorre [11](#page=11) [12](#page=12). ### 2.2 O papel das enzimas na catálise As enzimas atuam como catalisadores, aumentando a velocidade de uma reação sem alterar o seu equilíbrio. Elas aceleram a interconversão entre substrato e produto, catalisando a reação em ambas as direções (S → P e P → S), mas não afetam a posição e direção do equilíbrio, apenas o atingem mais rapidamente por aumentarem a velocidade [12](#page=12) [9](#page=9). As reações catalisadas por enzimas podem envolver várias etapas, incluindo a formação e consumo de intermediários como o complexo enzima-substrato (ES) e o complexo enzima-produto (EP). A velocidade final da reação é determinada pela etapa (ou etapas) com a maior energia de ativação, conhecida como etapa limitante da velocidade [12](#page=12). > **Tip:** Embora as enzimas aumentem a velocidade de uma reação, elas não alteram a variação da energia livre padrão da reação (ΔG’º) nem a constante de equilíbrio (Keq). Estes parâmetros dependem apenas da natureza dos reagentes e produtos e das condições de temperatura e pressão, não sendo influenciados pela enzima [21](#page=21). ### 2.3 Mecanismos de diminuição da energia de ativação As enzimas diminuem a energia de ativação principalmente através da **estabilização do estado de transição**. O sítio ativo da enzima é complementar ao estado de transição da reação, permitindo interações ótimas entre a enzima e o substrato apenas quando este se encontra nesse estado. A complementaridade total entre a enzima e o substrato ocorre somente no estado de transição [11](#page=11) [14](#page=14). A ligação do substrato à enzima pode induzir uma mudança conformacional na enzima (fenómeno conhecido como **encaixe induzido**), que cria várias interações fracas adicionais com o substrato. Esta mudança conformacional posiciona corretamente os grupos funcionais da enzima no sítio ativo para catalisar a reação e estabiliza o estado de transição [14](#page=14) [16](#page=16). #### 2.3.1 Interações não covalentes e energia de ligação O poder catalítico e a especificidade das enzimas estão intrinsecamente ligados às **interações não covalentes** entre a enzima e o substrato, que contribuem para a diminuição da energia de ativação. Estas interações incluem ligações de hidrogénio, interações iónicas e interações hidrofóbicas [15](#page=15). A formação de cada uma destas interações fracas não covalentes no complexo enzima-substrato é acompanhada pela libertação de energia livre, denominada **energia de ligação**. Esta energia de ligação é a principal fonte de energia livre utilizada pelas enzimas para diminuir a energia de ativação. As interações fracas entre a enzima e o substrato fornecem a força propulsora para a catálise enzimática [15](#page=15). > **Tip:** A energia de ligação libertada pelas interações não covalentes entre a enzima e o substrato compensa a energia necessária para a ativação da reação [15](#page=15). #### 2.3.2 Contribuição da energia de ligação para o poder catalítico A energia de ligação contribui para o poder catalítico das enzimas de várias formas: * **Diminuição da entropia do substrato:** A energia de ligação mantém o substrato orientado e alinhado com a enzima através de interações fracas não covalentes, aproximando-o e orientando-o na posição apropriada para reagir [16](#page=16). * **Diminuição da solvatação:** A formação de ligações fracas não covalentes entre a enzima e o substrato leva à dessolvatação do substrato. A interação enzima-substrato substitui a maioria das ligações de hidrogénio entre o substrato e as moléculas de água, removendo a camada de solvatação que impediria a reação [16](#page=16). * **Mudança conformacional da enzima (encaixe induzido):** A ligação do substrato induz uma mudança conformacional na enzima, gerando interações fracas adicionais e posicionando os grupos funcionais do sítio ativo corretamente para a catálise [16](#page=16). #### 2.3.3 Especificidade enzimática A energia de ligação é também fundamental para a extraordinária **especificidade** das enzimas pelos seus substratos. A especificidade resulta da formação de múltiplas interações fracas não covalentes entre a enzima (E) e o substrato (S). O sítio ativo da enzima possui grupos funcionais organizados de forma a formar um grande número de interações fracas com o substrato no estado de transição. Como resultado, a enzima não será capaz de interagir com a mesma intensidade com outras moléculas, garantindo a sua seletividade [16](#page=16). > **Example:** Imagine uma fechadura (enzima) e uma chave (substrato). A chave só entra e gira (catalisa a reação) se tiver o formato exato dos entalhes da fechadura. Enzimas são semelhantes, os seus sítios ativos são desenhados para interagir com substratos específicos, especialmente quando estes atingem o estado de transição. ### 2.4 Efeitos da catálise enzimática em parâmetros de reação Para uma reação que pode ocorrer com ou sem catálise enzimática: * **(a) Variação da energia livre padrão da reação (ΔG’º):** A enzima **não altera** [21](#page=21). * **(b) Energia de ativação da reação (ΔG‡):** A enzima **diminui** [11](#page=11) [21](#page=21). * **(c) Velocidade inicial da reação:** A enzima **aumenta** [21](#page=21). * **(d) Constante de equilíbrio da reação (Keq):** A enzima **não altera** [21](#page=21). > **Tip:** Lembre-se que a enzima afeta a cinética (velocidade) da reação, mas não a sua termodinâmica (equilíbrio e viabilidade). --- # Fatores que afetam a atividade enzimática e cofatores A atividade enzimática é um processo complexo influenciado por diversos fatores, incluindo a presença de cofatores e coenzimas, bem como as condições ambientais como pH e temperatura, e a integridade estrutural da enzima [19](#page=19) [8](#page=8). ### 3.1 Cofatores e coenzimas Certas enzimas necessitam de moléculas auxiliares não proteicas para que possam desempenhar a sua função catalítica. Estas moléculas são classificadas como cofatores ou coenzimas [8](#page=8). * **Cofatores:** Geralmente são íons metálicos inorgânicos ou moléculas metalorgânicas [8](#page=8). * **Coenzimas:** São moléculas orgânicas [8](#page=8). Quando firmemente, ou covalentemente, ligados a uma enzima, os cofatores e coenzimas são denominados **grupo prostético**. A combinação da enzima com o seu grupo prostético resulta numa enzima cataliticamente ativa. Algumas enzimas requerem tanto uma coenzima quanto um ou mais cofatores para serem ativas. A parte proteica da enzima sem estes grupos auxiliares é inativa [8](#page=8). ### 3.2 Fatores que afetam a atividade enzimática A atividade catalítica das enzimas é influenciada por vários fatores ambientais e estruturais. #### 3.2.1 pH O pH do meio ambiente afeta significativamente a atividade enzimática. Cada enzima possui um pH ótimo no qual a sua atividade é máxima. Isso ocorre porque o pH influencia o estado de ionização dos resíduos de aminoácidos presentes no sítio ativo e em outras partes da estrutura proteica. Mudanças no estado de ionização podem alterar a conformação da enzima e a sua capacidade de ligar o substrato e catalisar a reação [19](#page=19). > **Tip:** O pH ótimo de uma enzima é geralmente próximo do pH fisiológico do seu local de atuação no organismo. #### 3.2.2 Temperatura Embora não explicitamente detalhado nas páginas fornecidas para este tópico, é um fator conhecido que a temperatura também é crucial para a atividade enzimática. Temperaturas elevadas podem levar à desnaturação da enzima (perda da sua estrutura tridimensional e, consequentemente, da sua função), enquanto temperaturas muito baixas podem diminuir a velocidade da reação. Existe uma temperatura ótima para cada enzima, onde a sua atividade é máxima. #### 3.2.3 Estrutura da enzima A estrutura da enzima, em todos os seus níveis (primário, secundário, terciário e quaternário), é essencial para a sua atividade catalítica. Alterações conformacionais na estrutura da enzima podem afetar drasticamente a sua função [22](#page=22). * **Exemplo de alteração estrutural:** A substituição de um aminoácido com um grupo R carregado negativamente, como o ácido glutâmico, por um aminoácido com um grupo R pequeno e apolar, como a alanina ou a glicina, pode desestabilizar a conformação do centro ativo. Isso prejudica as interações essenciais para a reação enzimática, levando à perda da atividade catalítica. Por outro lado, a substituição de alanina por glicina pode não afetar a função, pois ambos os aminoácidos compartilham características químicas e estruturais semelhantes (pequenos e hidrofóbicos) [22](#page=22). ### 3.3 Outras considerações sobre a atividade enzimática * **Especificidade:** As enzimas exibem alta especificidade, o que significa que são capazes de catalisar reações envolvendo um isómero específico (por exemplo, D-hidratos de carbono ou L-aminoácidos), mas não o seu enantiómero. Essa especificidade é determinada pela interação do substrato com o centro ativo da enzima [19](#page=19). * **Equilíbrio da reação:** As enzimas não alteram a constante de equilíbrio de uma reação; elas apenas aceleram a velocidade com que o equilíbrio é atingido [19](#page=19). * **Concentração:** As enzimas são utilizadas em concentrações muito menores do que os substratos, pois não são consumidas durante a reação e podem ser reutilizadas [19](#page=19). * **Eficiência:** As enzimas são catalisadores extremamente eficientes, podendo aumentar a velocidade de reações químicas em milhares ou milhões de vezes [19](#page=19). --- # Técnicas de análise de proteínas: Eletroforese com SDS A eletroforese com SDS é uma técnica fundamental para a separação de proteínas baseada principalmente na sua massa molecular, utilizando o dodecil sulfato de sódio (SDS) para modificar as propriedades de carga e forma das proteínas [23](#page=23). ### 4.1 O papel do SDS na eletroforese O SDS (dodecil sulfato de sódio) é um detergente aniónico amplamente utilizado na eletroforese para garantir que a separação das proteínas ocorra predominantemente com base na sua massa molecular [23](#page=23). #### 4.1.1 Mecanismo de ligação do SDS às proteínas O SDS liga-se de forma não covalente às proteínas. Esta ligação ocorre através de duas interações principais [23](#page=23): * **Interações hidrofóbicas:** A cauda hidrofóbica (não polar) do SDS interage fortemente com as regiões hidrofóbicas da proteína. Estas interações são responsáveis por "desdobrar" ou desnaturar a proteína, rompendo as suas estruturas terciárias e quaternárias, resultando numa conformação mais linear ou alongada [23](#page=23). * **Interações com resíduos positivos:** O grupo sulfato hidrofílico (polar) do SDS pode interagir com resíduos de aminoácidos positivos na proteína, como a lisina e a arginina. Embora contribua, esta interação é considerada menos significativa para a carga final [23](#page=23). #### 4.1.2 Consequências da ligação do SDS A ligação extensiva do SDS às proteínas tem duas consequências cruciais para a eletroforese: * **Conferir carga negativa:** O grupo sulfato do SDS é altamente carregado negativamente. Ao ligar-se às proteínas, o SDS confere a estas uma carga negativa dominante e uniforme, mascarando efetivamente a carga intrínseca das proteínas. Todas as proteínas, independentemente da sua composição de aminoácidos, adquirem uma relação carga-massa semelhante [23](#page=23). * **Confirir forma alongada:** A natureza detergente do SDS e a sua capacidade de interagir com regiões hidrofóbicas levam ao desdobramento das proteínas, tornando-as mais lineares e alongadas [23](#page=23). #### 4.1.3 Separação baseada na massa molecular Devido à carga negativa uniforme e à forma alongada adquiridas após a ligação ao SDS, as proteínas, quando submetidas a um campo elétrico, migram em direção ao polo positivo (ânodo). A velocidade de migração torna-se então dependente quase exclusivamente do seu tamanho molecular. Proteínas menores, com menor resistência à migração através da matriz do gel, movem-se mais rapidamente e mais longe do que as proteínas maiores [23](#page=23). > **Tip:** A eletroforese com SDS, também conhecida como SDS-PAGE (Polyacrylamide Gel Electrophoresis), é frequentemente utilizada em conjunto com a eletroforese bidimensional ou como etapa de preparação para outras técnicas, como o Western Blot. > **Exemplo:** Numa amostra contendo proteínas de 20 kDa, 50 kDa e 100 kDa, após tratamento com SDS e submissão a SDS-PAGE, espera-se que a proteína de 20 kDa migre mais rapidamente e atinja uma posição mais distante no gel, enquanto a proteína de 100 kDa migrará mais lentamente e ficará mais perto do ponto de aplicação. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Enzima | Molécula, geralmente uma proteína, que atua como um catalisador biológico, acelerando reações químicas específicas sem ser consumida no processo. | | Catálise | Processo pelo qual a velocidade de uma reação química é aumentada por uma substância (catalisador) que não é consumida na reação. | | Reação biológica | Reação química que ocorre em organismos vivos, geralmente mediada por enzimas para garantir que ocorram a taxas fisiologicamente relevantes. | | Energia de ativação | A energia mínima necessária para que uma reação química ocorra, representando a barreira energética que os reagentes devem superar para se converterem em produtos. | | Equilíbrio químico | Estado de uma reação reversível onde as taxas das reações direta e inversa são iguais, resultando em concentrações constantes de reagentes e produtos. | | Substrato | Molécula sobre a qual uma enzima atua, sendo convertida em produto. | | Local ativo | Região específica na estrutura tridimensional de uma enzima onde o substrato se liga e onde a catálise ocorre. | | Cofator | Molécula não proteica, orgânica ou inorgânica, que é essencial para a atividade catalítica de algumas enzimas. | | Coenzima | Cofator orgânico, frequentemente derivado de vitaminas, que atua em conjunto com uma enzima para catalisar uma reação. | | Grupo prostético | Parte não proteica de uma metaloproteína ou glicoproteína que está firmemente ligada ou covalentemente ligada à cadeia polipeptídica. | | Estado de transição | Um arranjo de átomos de alta energia que ocorre no pico de uma barreira de energia durante uma reação química, onde as ligações antigas estão sendo quebradas e novas estão sendo formadas. | | Encaixe induzido | Modelo de ligação enzima-substrato onde a enzima e/ou o substrato sofrem uma alteração conformacional após a ligação, otimizando o ajuste e a catálise. | | Interações não covalentes | Forças de atração fracas entre átomos ou moléculas, como ligações de hidrogénio, interações hidrofóbicas e forças de van der Waals, que são cruciais na estrutura e função das biomoléculas. | | Energia de ligação | A energia liberada quando interações fracas não covalentes se formam entre uma enzima e seu substrato, contribuindo para a diminuição da energia de ativação. | | Eletroforese | Técnica de laboratório usada para separar moléculas carregadas, como proteínas e ácidos nucleicos, com base em seu tamanho e carga elétrica, passando uma corrente elétrica através delas. | | SDS (Dodecil Sulfato de Sódio) | Um surfactante aniónico amplamente utilizado em bioquímica para desnaturar proteínas, conferir-lhes uma carga negativa uniforme e permitir sua separação por eletroforese com base no tamanho. | | Desnaturação | Processo no qual a estrutura tridimensional de uma proteína é alterada, geralmente pela exposição a calor, pH extremo ou produtos químicos, resultando na perda de sua função biológica. |

# Cinética enzimática básica e modelo de Michaelis-Menten Esta seção explora os fundamentos da cinética enzimática, focando na formação do complexo enzima-substrato, o conceito de estado estacionário e a dedução da equação de Michaelis-Menten, incluindo a interpretação dos parâmetros V0, Vmax e Km. ### 1.1 Conceitos fundamentais da cinética enzimática A cinética enzimática estuda a velocidade das reações catalisadas por enzimas e os fatores que a influenciam. Uma reação enzimática típica envolve as seguintes etapas [3](#page=3): 1. **Formação do complexo enzima-substrato (ES):** A enzima (E) liga-se ao substrato (S) para formar o complexo ES. Esta etapa é reversível, com constantes de velocidade $k_1$ (formação de ES) e $k_{-1}$ (dissociação de ES) [3](#page=3). $$ E + S \xrightleftharpoons[k_{-1}]{k_1} ES $$ 2. **Conversão de ES em produto:** O complexo ES é convertido em enzima livre (E) e produto (P). Esta etapa possui uma constante de velocidade $k_2$ [3](#page=3). $$ ES \xrightarrow{k_2} E + P $$ ### 1.2 O estado estacionário O conceito de estado estacionário é crucial na cinética enzimática e postula que, após um breve período inicial, a concentração do complexo enzima-substrato ([ES]) permanece constante ao longo do tempo. Isso ocorre porque a velocidade de formação do complexo ES é igual à sua velocidade de decomposição (seja por dissociação para E + S ou por formação de produto) [13](#page=13) [3](#page=3) [9](#page=9). $$ \text{velocidade de formação de } ES = \text{velocidade de decomposição de } ES $$ $$ k_1[E][S = k_{-1}[ES + k_2[ES $$ No início da reação, a concentração de produto é desprezível, o que simplifica a análise [3](#page=3). ### 1.3 Parâmetros da cinética enzimática #### 1.3.1 Velocidade inicial (V0) A velocidade inicial (V0) refere-se à taxa de formação de produto ou consumo de substrato em unidades de concentração por tempo (e.g., μM/min) nos momentos iniciais da reação. É definida sob a suposição de que a concentração da enzima ([E]) é mantida constante [4](#page=4) [7](#page=7). * **Baixas concentrações de substrato ([S]):** V0 aumenta de forma aproximadamente linear com o aumento de [S [4](#page=4). * **Altas concentrações de substrato ([S]):** V0 aumenta muito pouco em resposta ao aumento de [S, aproximando-se de um valor máximo [4](#page=4). A vantagem de medir V0 é que, nesse ponto, a [S ainda é alta em relação ao substrato consumido, tornando as alterações na [S desprezíveis para que possa ser tratada como constante [6](#page=6). > **Tip:** Medir a velocidade inicial (V0) é vantajoso porque, no início da reação, a concentração de substrato ([S]) permanece praticamente constante devido ao seu consumo mínimo para formar o produto [6](#page=6). #### 1.3.2 Velocidade máxima (Vmax) A velocidade máxima (Vmax) é a velocidade de catálise atingida pela enzima quando esta está completamente saturada com substrato. Isso significa que todos os centros ativos da enzima estão ocupados por substrato. Neste ponto, um aumento adicional na [S leva a um aumento insignificante em V0, pois a enzima está operando na sua capacidade máxima. A enzima está predominantemente na forma de complexo ES, e a concentração de enzima livre ([E]) é muito baixa [4](#page=4). > **Tip:** Quando uma enzima está saturada com substrato, ela atinge sua velocidade máxima (Vmax) [4](#page=4). #### 1.3.3 Constante de Michaelis-Menten (Km) A constante de Michaelis-Menten (Km) é uma medida da afinidade de uma enzima pelo seu substrato. Ela é definida como a concentração de substrato ([S]) na qual a velocidade inicial da reação (V0) é igual à metade da velocidade máxima (½ Vmax) [10](#page=10) [15](#page=15) [4](#page=4) [7](#page=7) [9](#page=9). $$ Km = [S \text{ quando } V0 = \frac{Vmax}{2} $$ * **Relação com afinidade:** Km é inversamente proporcional à afinidade da enzima pelo substrato [4](#page=4). * Um **Km alto** indica **baixa afinidade** da enzima pelo substrato, necessitando de uma maior [S para atingir ½ Vmax [4](#page=4). * Um **Km baixo** indica **alta afinidade** da enzima pelo substrato, necessitando de uma menor [S para atingir ½ Vmax. Km é uma propriedade intrínseca da enzima e não varia durante a reação, refletindo as propriedades catalíticas e de ligação da enzima ao substrato [6](#page=6). > **Example:** Se uma enzima tem um Km de 10 mM para um determinado substrato, isso significa que a velocidade inicial da reação será metade da Vmax quando a concentração do substrato for de 10 mM [10](#page=10). ### 1.4 A equação de Michaelis-Menten A equação de Michaelis-Menten descreve a relação entre a velocidade inicial de uma reação enzimática (V0) e a concentração de substrato ([S]). Ela é derivada sob a aproximação do estado estacionário e considerando que, no início da reação, a concentração de produto é desprezível [12](#page=12) [4](#page=4) [5](#page=5) [7](#page=7). A dedução leva à seguinte equação: $$ V0 = \frac{Vmax [S]}{Km + [S]} $$ Onde: * $V0$ é a velocidade inicial da reação. * $Vmax$ é a velocidade máxima da reação. * $[S]$ é a concentração de substrato. * $Km$ é a constante de Michaelis-Menten. Esta equação descreve uma curva hiperbólica quando V0 é plotado contra [S [7](#page=7). > **Tip:** A equação de Michaelis-Menten é fundamental para entender como a concentração de substrato afeta a velocidade das reações enzimáticas [4](#page=4). ### 1.5 Análise gráfica: Gráfico de Michaelis-Menten e Lineweaver-Burk #### 1.5.1 Gráfico V0 vs. [S (Michaelis-Menten) Este gráfico mostra uma relação hiperbólica entre a velocidade inicial (V0) e a concentração de substrato ([S]). A curva aumenta rapidamente no início (baixas [S]), depois se achata e se aproxima assintoticamente de Vmax em altas [S, indicando saturação da enzima. A intersecção com o eixo dos x representa a concentração de substrato. A curva se aproxima de Vmax, mas teoricamente não a atinge [4](#page=4) [7](#page=7). #### 1.5.2 Gráfico 1/V0 vs. 1/[S (Lineweaver-Burk) A equação de Michaelis-Menten pode ser linearizada para facilitar a análise e a determinação de Vmax e Km usando o gráfico de Lineweaver-Burk. Tomando o inverso da equação de Michaelis-Menten [5](#page=5): $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km + [S]}{Vmax [S]} $$ $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km}{Vmax [S]} + \frac{[S]}{Vmax [S]} $$ $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km}{Vmax} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{Vmax} $$ Esta equação tem a forma de $y = mx + b$: * $y = \frac{1}{V0}$ * $x = \frac{1}{[S]}$ * $m = \frac{Km}{Vmax}$ (declive da reta) * $b = \frac{1}{Vmax}$ (intersecção com o eixo dos y - ordenada na origem) > **Tip:** O gráfico de Lineweaver-Burk é uma ferramenta útil para determinar precisamente os valores de Vmax e Km a partir de dados experimentais [5](#page=5). No gráfico de Lineweaver-Burk: * A intersecção com o eixo y (ordenada na origem) é $\frac{1}{Vmax}$ [5](#page=5). * A intersecção com o eixo x (abcissa) é $-\frac{1}{Km}$ [5](#page=5). * O declive da reta é $\frac{Km}{Vmax}$ [5](#page=5). ### 1.6 Considerações sobre as aproximações Na dedução da equação de Michaelis-Menten, duas aproximações principais são utilizadas [12](#page=12): 1. **Aproximação do estado estacionário:** A concentração do complexo ES é constante ao longo do tempo [13](#page=13) [3](#page=3). 2. **Aproximação de substrato em excesso:** A concentração de substrato é muito maior do que a concentração de enzima ([S >> [E]). Isso garante que, mesmo quando a enzima está saturada, a [S não muda significativamente e permanece alta em relação à quantidade de substrato consumido [13](#page=13) [6](#page=6). ### 1.7 Outros parâmetros e observações * **Concentração de enzima livre:** No início da reação, a concentração de enzima livre ([E]) diminui à medida que se liga ao substrato [3](#page=3). * **Concentração de ES:** O complexo ES aumenta inicialmente e atinge um platô quando a enzima está saturada [3](#page=3). * **Concentração de substrato ([S]) diminui ao longo do tempo:** Conforme a reação avança, [S diminui [14](#page=14). * **Concentração de produto ([P]) aumenta ao longo do tempo:** Conforme a reação avança, [P aumenta [14](#page=14). * A velocidade de gasto de ES considera as etapas de sua decomposição [8](#page=8). * A regulação de uma enzima por cofatores é relacionada ao seu funcionamento geral, não diretamente à Km [9](#page=9). * No início da reação (V0), o substrato ainda não saturou completamente a enzima, então V0 é menor que Vmax. V0 = Vmax apenas quando a enzima está totalmente saturada [6](#page=6). --- # Métodos gráficos para análise de cinética enzimática Os métodos gráficos, como os de Michaelis-Menten e Lineweaver-Burk, são ferramentas essenciais para a visualização e quantificação de parâmetros cinéticos de enzimas e para a compreensão do efeito de inibidores [5](#page=5). ### 2.1 O modelo de Michaelis-Menten A equação de Michaelis-Menten descreve a relação entre a velocidade inicial da reação enzimática ($V_0$) e a concentração do substrato ($[S]$). Embora a forma original da equação não seja linear, sua representação gráfica revela características importantes da cinética enzimática [5](#page=5). > **Tip:** A curva de Michaelis-Menten exibe um padrão hiperbólico onde a velocidade inicial aumenta com a concentração de substrato até atingir um platô, que representa a velocidade máxima ($V_{max}$). ### 2.2 O gráfico de Lineweaver-Burk O gráfico de Lineweaver-Burk é uma transformação linear da equação de Michaelis-Menten, representada pela seguinte equação: $$ \frac{1}{V_0} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}} $$ Esta equação corresponde à forma de uma reta ($y = mx + b$), onde: * $y = \frac{1}{V_0}$ * $x = \frac{1}{[S]}$ * $m = \frac{K_m}{V_{max}}$ (declive) * $b = \frac{1}{V_{max}}$ (interseção com o eixo y, ordenada na origem) [5](#page=5). #### 2.2.1 Determinação de parâmetros cinéticos A linearização oferecida pelo gráfico de Lineweaver-Burk permite uma determinação mais precisa dos parâmetros cinéticos chave: * **$V_{max}$ (Velocidade Máxima):** É determinada pela interseção da reta com o eixo das ordenadas (eixo y), correspondendo ao valor de $\frac{1}{V_{max}}$. Para obter o valor de $V_{max}$, inverte-se este valor [5](#page=5). $$ V_{max} = \frac{1}{b} $$ * **$K_m$ (Constante de Michaelis):** A $K_m$ pode ser determinada de duas maneiras: * **Pelo declive:** O declive da reta ($m$) é igual a $\frac{K_m}{V_{max}}$. Assim, $K_m = m \cdot V_{max}$ [5](#page=5). * **Pela interseção com o eixo das abcissas (eixo x):** A interseção da reta com o eixo x ocorre quando $V_0$ é infinito (ou $\frac{1}{V_0} = 0$). Nesse ponto, $\frac{1}{[S]} = -\frac{1}{K_m}$. O valor de $x$ nesta interseção é igual a $-\frac{1}{K_m}$. Portanto, $K_m$ é o inverso do valor absoluto da abscissa no eixo x [11](#page=11) [5](#page=5). $$ K_m = -\frac{1}{x_{interseção}} $$ > **Tip:** O gráfico de Lineweaver-Burk é particularmente útil para visualizar e analisar o efeito de inibidores sobre a cinética enzimática, pois diferentes tipos de inibição resultam em alterações distintas nas interceções e no declive da reta. ### 2.3 Análise de inibidores enzimáticos através de métodos gráficos Os métodos gráficos são fundamentais para distinguir entre os diferentes tipos de inibição reversível de enzimas. #### 2.3.1 Inibição competitiva Na inibição competitiva, o inibidor liga-se ao sítio ativo da enzima, competindo com o substrato [19](#page=19). * **Curva de Michaelis-Menten:** A $K_m$ aparente aumenta (o que significa que é necessária uma maior concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$), enquanto a $V_{max}$ se mantém inalterada. Isso ocorre porque, em concentrações elevadas de substrato, a probabilidade de ligação do inibidor à enzima é minimizada [19](#page=19). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * As linhas para a reação sem e com inibidor cruzam-se no eixo das ordenadas em $\frac{1}{V_{max}}$ confirmando que a $V_{max}$ não é afetada [19](#page=19). * A interseção com o eixo das abcissas ($-\frac{1}{K_m}$) desloca-se para a direita (tornando-se menos negativa), indicando um aumento na $K_m$ aparente ($\alpha K_m$) [19](#page=19). * O declive da reta aumenta [31](#page=31). > **Example:** Um inibidor competitivo para a enzima desidrogenase lática poderia ser o malonato, que é estruturalmente semelhante ao succinato (substrato da succinato desidrogenase, outra enzima). #### 2.3.2 Inibição anticompetitiva Na inibição anticompetitiva, o inibidor liga-se exclusivamente ao complexo enzima-substrato (ES), impedindo a sua catálise. * **Curva de Michaelis-Menten:** Tanto a $K_m$ quanto a $V_{max}$ diminuem. A diminuição da $K_m$ aparente significa que é necessária uma menor concentração de substrato para atingir metade da nova $V_{max}$. A $V_{max}$ diminui porque a presença do inibidor prejudica a atividade catalítica do complexo ES. A curva de Michaelis-Menten desloca-se para baixo [21](#page=21). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * A linha com o inibidor é paralela e acima da linha sem inibidor [21](#page=21). * A $V_{max}$ diminui, o que resulta num aumento do valor de $\frac{1}{V_{max}}$ (interseção com o eixo y aumenta) [21](#page=21). * A $K_m$ diminui, o que significa que $-\frac{1}{K_m}$ aumenta (deslocando-se para a direita), mas a inclinação da reta muda de forma a manter as linhas paralelas. #### 2.3.3 Inibição mista (não competitiva) Na inibição mista, o inibidor pode ligar-se tanto à enzima livre (E) quanto ao complexo enzima-substrato (ES), afetando a atividade catalítica e a afinidade pelo substrato. A inibição não competitiva pura é um caso especial onde a $K_m$ não varia. * **Curva de Michaelis-Menten:** A $V_{max}$ diminui, pois o número de complexos funcionais enzima-substrato diminui. A curva de Michaelis-Menten desloca-se para baixo. Na inibição não competitiva pura, a $K_m$ não varia mantendo a curva sem deslocamento no eixo x [23](#page=23). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * A $V_{max}$ diminui, resultando num aumento de $\frac{1}{V_{max}}$, o que significa que a interseção com o eixo das ordenadas ocorre em um ponto superior [23](#page=23). * Na inibição não competitiva pura, a $K_m$ não varia. Consequentemente, a interseção com o eixo das abcissas em $-\frac{1}{K_m}$ permanece inalterada. O declive da reta muda [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). > **Example:** Dados experimentais para inibição não competitiva mostram que a $V_{max}$ diminui (ex: de 0.49 mg/min para 0.21 mg/min), enquanto a $K_m$ se mantém relativamente constante (ex: de 1.98 mM para 2.31 mM). Isso é refletido nas interceções do gráfico Lineweaver-Burk [35](#page=35) [36](#page=36). > **Tip:** Ao analisar gráficos de Lineweaver-Burk com inibidores, preste atenção especial aos pontos de interseção com os eixos e ao declive, pois eles fornecem informações diretas sobre como a $V_{max}$ e a $K_m$ são afetadas. --- # Mecanismos de regulação da atividade enzimática A atividade enzimática é finamente controlada por diversos mecanismos que ajustam a sua eficiência catalítica em resposta às necessidades celulares. ## 3 Mecanismos de regulação da atividade enzimática A atividade enzimática pode ser regulada por vários fatores, incluindo pH, temperatura, alosteria, modificações covalentes e inibidores [16](#page=16). ### 3.1 Fatores físico-químicos #### 3.1.1 pH O pH ótimo é aquele em que a enzima exibe a máxima atividade catalítica. As cadeias laterais de aminoácidos com grupos ionizáveis são cruciais para determinar este pH ótimo, pois o seu estado de ionização afeta tanto o local ativo quanto a conformação geral da enzima [16](#page=16). #### 3.1.2 Temperatura Cada enzima possui uma temperatura ótima para a sua atividade catalítica máxima [16](#page=16). ### 3.2 Inibição enzimática Inibidores são compostos que reduzem ou bloqueiam a atividade catalítica de uma enzima [17](#page=17). #### 3.2.1 Inibição reversível Neste tipo de inibição, o inibidor liga-se fracamente à enzima, permitindo a sua dissociação. Os inibidores reversíveis podem ser análogos estruturais dos substratos ou produtos. Eles podem atuar de duas formas: impedindo a ligação do substrato à enzima livre, ou ligando-se ao complexo enzima-substrato e prevenindo a reação [17](#page=17). #### 3.2.2 Inibição irreversível O inibidor liga-se covalentemente à enzima, destruindo um grupo funcional essencial para a atividade catalítica, ou forma uma associação não covalente estável. Frequentemente, o inibidor liga-se ao local ativo, resultando numa inativação definitiva da enzima [25](#page=25). ### 3.3 Modificações covalentes #### 3.3.1 Modificação covalente reversível A atividade enzimática pode ser regulada por modificações covalentes reversíveis em um ou mais resíduos de aminoácidos, como fosforilação, metilação ou acetilação. As cinases adicionam grupos fosfato, enquanto as fosfatases removem esses grupos [26](#page=26). #### 3.3.2 Modificação covalente irreversível Este tipo de modificação leva à inativação permanente da enzima [25](#page=25). ### 3.4 Alosteria A atividade enzimática é regulada pela ligação não covalente reversível de modeladores/reguladores alostéricos a um local regulatório específico na enzima (#page=26, 27). Essa ligação induz uma alteração conformacional na enzima (#page=26, 27) [26](#page=26) [27](#page=27). #### 3.4.1 Tipos de enzimas alostéricas * **Enzima homotrópica:** O substrato atua como modelador, e o local ativo e o local regulatório são os mesmos [27](#page=27). * **Enzima heterotrópica:** O modelador é diferente do substrato, e existem locais regulatórios específicos para cada modelador heterotrópico [27](#page=27). #### 3.4.2 Estrutura e função Enzimas alostéricas são frequentemente compostas por várias subunidades, podendo ter diferentes modeladores ligados a subunidades distintas. O local regulador (onde o modelador se liga) e o local catalítico (onde o substrato se liga e a reação ocorre) podem estar em subunidades diferentes [27](#page=27). #### 3.4.3 Modeladores alostéricos Os modeladores podem ser ativadores (moduladores positivos) ou inibidores (moduladores negativos). A ligação de um modelador a um local regulatório induz uma mudança conformacional na enzima, passando de um estado T (tenso/inativo) para um estado R (relaxado/ativo), e vice-versa. Por exemplo, a ligação de um ativador a uma subunidade regulatória pode aumentar a afinidade do local ativo pelo substrato, tornando a enzima mais ativa. A dissociação do modelador retorna a enzima ao seu estado menos ativo [28](#page=28). #### 3.4.4 Cinética das enzimas alostéricas Enzimas alostéricas não seguem a cinética de Michaelis-Menten. A sua curva de saturação é sigmoidal, em contraste com a curva hiperbólica das enzimas não regulatórias. Em vez de $K_m$, utiliza-se $K_{0.5}$ para representar a concentração de substrato que fornece metade da $V_{max}$ [29](#page=29). * **Ativador alostérico:** Diminui o $K_{0.5}$, aumentando a afinidade da enzima pelo substrato e a velocidade de reação para uma dada concentração de substrato, sem alterar a $V_{max}$ [29](#page=29). > **Tip:** Um ativador alostérico permite que a enzima atinja metade da sua capacidade catalítica máxima com uma menor concentração de substrato, indicando uma ligação mais forte. * **Inibidor alostérico:** Aumenta o $K_{0.5}$, diminuindo a afinidade da enzima pelo substrato, o que requer uma concentração maior de substrato para atingir metade da $V_{max}$. O $V_{max}$ pode permanecer inalterado [29](#page=29). > **Tip:** A análise da curva de saturação sigmoidal é fundamental para identificar e caracterizar a regulação alostérica. > **Example:** Numa enzima alostérica heterotrópica, um ativador pode aumentar a $V_{max}$ sem alterar o $K_{0.5}$ (afinidade pelo substrato), enquanto um inibidor pode alterar o $K_{0.5}$ (afinidade) sem afetar a $V_{max}$ (capacidade catalítica máxima). A interpretação depende se o modelador afeta primariamente a afinidade ou a capacidade catalítica [29](#page=29). --- # Tipos de inibição enzimática A inibição enzimática ocorre quando um composto diminui ou impede a atividade catalítica de uma enzima. A inibição reversível envolve a ligação fraca do inibidor à enzima, permitindo a sua dissociação. Estes inibidores são frequentemente análogos estruturais de substratos ou produtos. Dependendo do momento e do local de ligação, os inibidores reversíveis podem ser classificados como competitivos, anticompetitivos ou mistos (não competitivos) [17](#page=17). ### 4.1 Inibição competitiva Na inibição competitiva, o inibidor liga-se reversivelmente apenas à enzima livre, competindo com o substrato pelo local ativo. Devido à semelhança estrutural entre o inibidor e o substrato, a sua ligação impede que o substrato se ligue, formando um complexo enzima-inibidor não reativo [18](#page=18). * **Características Cinéticas:** * A inibição pode ser revertida pelo aumento da concentração de substrato [18](#page=18). * O $K_m$ aparente aumenta (denotado como $\alpha K_m$). Isso significa que é necessária uma maior concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$ [19](#page=19). * A $V_{max}$ permanece inalterada pois em concentrações muito altas de substrato, a ligação do inibidor é minimizada [19](#page=19) [30](#page=30). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para a direita, indicando um aumento no $K_m$ [19](#page=19). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** As linhas com e sem inibidor cruzam-se no eixo dos y em $1/V_{max}$. A interseção no eixo x ($-1/K_m$) desloca-se para a direita. A inclinação da reta é alterada [19](#page=19) [31](#page=31). > **Tip:** Na inibição competitiva, pense que o inibidor "ocupa o lugar" do substrato no centro ativo. Aumentar a quantidade de substrato pode "desocupar o lugar" do inibidor. > **Example:** Muitos fármacos funcionam como inibidores competitivos, por exemplo, inibidores da xantina oxidase que tratam a gota. ### 4.2 Inibição anticompetitiva Na inibição anticompetitiva, o inibidor liga-se exclusivamente ao complexo enzima-substrato (ES), e não à enzima livre. Por isso, não interfere diretamente com a ligação do substrato ao local ativo, mas sim com a catálise subsequente [20](#page=20). * **Características Cinéticas:** * Tanto o $K_m$ quanto a $V_{max}$ diminuem. A diminuição no $K_m$ aparente significa que é necessária uma menor concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$ aparente. A diminuição na $V_{max}$ reflete a inibição da atividade catalítica [21](#page=21). * Um fator $\alpha'$ descreve o efeito do inibidor sobre o complexo ES, geralmente levando à diminuição da $V_{max}$ e também do $K_m$ [24](#page=24). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para baixo e para a esquerda, indicando diminuição tanto do $K_m$ quanto da $V_{max}$ [21](#page=21). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A linha de inibição é paralela à linha sem inibidor, mas posicionada acima dela. A diminuição do $K_m$ leva a um $-1/K_m$ maior (mais próximo de zero no eixo x), e a diminuição da $V_{max}$ leva a um $1/V_{max}$ maior (interseção com o eixo y a valores superiores) [21](#page=21). > **Tip:** A inibição anticompetitiva é mais eficaz quando a concentração de substrato é alta, pois há mais complexos ES para o inibidor se ligar. ### 4.3 Inibição mista (não competitiva) Na inibição mista (também referida como não competitiva em alguns contextos), o inibidor pode ligar-se tanto à enzima livre quanto ao complexo enzima-substrato (ES). Crucialmente, o inibidor liga-se a um local alostérico, distinto do local ativo. Embora o substrato possa ligar-se ao local ativo, a ligação do inibidor inibe a catálise [22](#page=22). * **Características Cinéticas:** * A $V_{max}$ diminui porque o número de complexos enzima-substrato funcionais é reduzido [23](#page=23). * O $K_m$ pode variar. Na inibição *não competitiva pura*, o $K_m$ permanece inalterado. Na inibição *mista*, o inibidor pode alterar a afinidade do substrato pela enzima. A ligação de um inibidor ao complexo ES pode deslocar o equilíbrio para a formação de mais complexo ES, diminuindo o $K_m$ aparente [23](#page=23) [24](#page=24) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para baixo. Se o $K_m$ não variar (inibição não competitiva pura), o deslocamento é puramente vertical [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A $V_{max}$ diminui, resultando numa interseção com o eixo y num ponto superior. Se o $K_m$ não variar, a interseção com o eixo x permanece em $-1/K_m$. Se o $K_m$ variar, a linha interceptará o eixo x num ponto diferente [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). > **Tip:** A inibição mista é um tipo mais geral que engloba a competitiva e a anticompetitiva como casos específicos. Na inibição não competitiva pura, o inibidor afeta a capacidade catalítica da enzima, mas não a sua afinidade pelo substrato. ### 4.4 Inibição irreversível A inibição irreversível ocorre quando um inibidor se liga covalentemente à enzima, formando uma ligação permanente. Esta ligação inativa a enzima de forma permanente, pois o inibidor não se dissocia [17](#page=17). * **Características Cinéticas:** * A inibição irreversível leva a uma perda permanente de atividade enzimática. A cinética aparente pode depender da concentração de enzima ativa remanescente. Em muitos casos, a $V_{max}$ efetiva diminui significativamente, e o $K_m$ pode permanecer o mesmo se a enzima ativa restante não for afetada. * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva de velocidade versus concentração de substrato será mais baixa, indicando uma $V_{max}$ menor. * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A linha exibirá uma $V_{max}$ aparente menor, resultando em uma maior interceção no eixo y ($1/V_{max}$). > **Tip:** A inibição irreversível é frequentemente utilizada em estudos para identificar resíduos de aminoácidos cruciais no local ativo de uma enzima. > **Example:** O gás sarin, um agente neurotóxico, é um inibidor irreversível da acetilcolinesterase. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Complexo Enzima-Substrato (ES) | Intermediário formado quando a enzima se liga ao seu substrato, preparando-o para a catálise. A concentração deste complexo é considerada constante no estado estacionário. | | Estado Estacionário | Condição em que a concentração do complexo enzima-substrato ([ES]) permanece constante ao longo do tempo, pois a velocidade de formação de ES é igual à velocidade de sua decomposição (em produto ou dissociação). | | Constante de Velocidade (k) | Valor que quantifica a velocidade de uma reação química específica, indicando quão rápido os reagentes se transformam em produtos. Diferentes constantes (k1, k-1, k2) descrevem as etapas individuais de uma reação enzimática. | | Cinética Enzimática | Estudo da velocidade das reações catalisadas por enzimas, analisando como fatores como concentração de substrato, enzima, pH e temperatura afetam essa velocidade. | | Enzimas Alostéricas | Enzimas reguladas pela ligação de moléculas (modeladores) a um sítio alostérico, distinto do sítio ativo. Essa ligação induz mudanças conformacionais que alteram a atividade catalítica da enzima. | | V0 (Velocidade Inicial) | A velocidade de uma reação enzimática medida nos primeiros momentos, quando a concentração de substrato é alta e as alterações em sua concentração são desprezíveis. É crucial para a análise da cinética de Michaelis-Menten. | | Vmax (Velocidade Máxima) | A velocidade máxima que uma reação enzimática pode atingir sob condições específicas, ocorrendo quando a enzima está completamente saturada com substrato e todos os sítios ativos estão ocupados. | | Km (Constante de Michaelis-Menten) | A concentração de substrato na qual a velocidade inicial da reação (V0) é igual à metade da velocidade máxima (Vmax/2). Km é um indicador da afinidade da enzima pelo substrato; um Km menor indica maior afinidade. | | Gráfico de Michaelis-Menten | Representação gráfica da relação entre a velocidade inicial (V0) e a concentração de substrato ([S]), geralmente apresentando uma curva hiperbólica. | | Gráfico de Lineweaver-Burk | Uma representação linearizada da equação de Michaelis-Menten, plotando o inverso da velocidade inicial (1/V0) contra o inverso da concentração de substrato (1/[S]). Facilita a determinação de Vmax e Km e a análise de inibição. | | Inibição Reversível | Tipo de inibição em que o inibidor se liga à enzima de forma não covalente e pode se dissociar, permitindo que a enzima recupere sua atividade. | | Inibição Competitiva | Inibição onde o inibidor compete diretamente com o substrato pelo sítio ativo da enzima. Geralmente, o inibidor é estruturalmente semelhante ao substrato. | | Inibição Anticompetitiva | Inibição onde o inibidor se liga apenas ao complexo enzima-substrato (ES), e não à enzima livre. | | Inibição Mista (Não Competitiva) | Inibição em que o inibidor pode se ligar tanto à enzima livre quanto ao complexo enzima-substrato, em um sítio distinto do ativo, afetando tanto a ligação do substrato quanto a catálise. | | Inibição Irreversível | Tipo de inibição em que o inibidor se liga à enzima de forma covalente, causando uma modificação permanente e inativando a enzima definitivamente. | | Modificação Covalente Reversível | Processo de regulação enzimática onde grupos químicos são adicionados ou removidos covalentemente de resíduos de aminoácidos da enzima, alterando sua atividade. Exemplos incluem fosforilação e metilação. | | Sítio Alostérico | Região de uma enzima, distinta do sítio ativo, onde moduladores (ativadores ou inibidores) se ligam para regular a atividade catalítica da enzima através de mudanças conformacionais. | | Curva Sigmoide | Uma curva em forma de "S" observada em enzimas alostéricas, representando a relação entre a velocidade da reação e a concentração de substrato. Indica cooperação entre sítios de ligação. | | K0.5 | Parâmetro cinético utilizado para enzimas alostéricas, representando a concentração de substrato que resulta na metade da velocidade máxima (Vmax). Corresponde ao Km em enzimas que seguem a cinética de Michaelis-Menten. |

# Ruimtelijke structuur van koolwaterstoffen Dit gedeelte behandelt de ruimtelijke ordening van koolstofskeletten, inclusief alkanen, alkenen en alkynen, en de invloed van hybridisatie op de moleculaire vorm. ### 1.1 Inleiding De hybridisatietoestand van een koolstofatoom bepaalt de ruimtelijke verdeling van de eraan gebonden atomen of atoomgroepen, wat wordt vastgelegd door het aantal en de onderlinge oriëntatie van de $\sigma$-bindingen [9](#page=9). * Bij $\text{sp}^3$ hybridisatie zijn er vier $\sigma$-bindingen gericht naar de hoekpunten van een tetraëder met valentiehoeken van ongeveer 109º [9](#page=9). * Bij $\text{sp}^2$ hybridisatie zijn er drie $\sigma$-bindingen in hetzelfde vlak met valentiehoeken van ongeveer 120º [9](#page=9). * Bij $\text{sp}$ hybridisatie zijn er twee $\sigma$-bindingen langs eenzelfde lijn met valentiehoeken van 180º [9](#page=9). De ruimtelijke structuur van het koolwaterstofskelet wordt bepaald door de individuele koolstofatomen en hun hybridisatie. De som van de ruimtelijke verdelingen rondom elke bouwsteen bepaalt de totale moleculaire vorm. Verschillende hybridisaties en posities in het skelet resulteren in verschillende ruimtelijke structuren en daardoor ook verschillende fysicochemische eigenschappen, zoals geïllustreerd door stearinezuur en oleïnezuur die een smeltpuntverschil van 55 ºC hebben ondanks slechts één verschil: een dubbele binding in oleïnezuur [10](#page=10) [9](#page=9). ### 1.2 Methaan Methaan, het meest eenvoudige alkaan, wordt best voorgesteld met de wig-notatie [11](#page=11). H C H H H Moleculen zijn geen statische objecten; bindingsafstanden en valentiehoeken fluctueren voortdurend rondom evenwichtswaarden. Deze fluctuaties ontstaan door de omzetting van kinetische energie (bewegingsenergie) naar potentiële energie (inwendige energie) tijdens botsingen, wat met hogere temperaturen frequenter voorkomt. Bij voldoende hoge temperaturen kunnen zelfs de zwakste bindingen breken [11](#page=11). ### 1.3 Ethaan en conformationele isomerie In tegenstelling tot methaan, heeft ethaan een ruimtelijke structuur die niet eenduidig is. De twee tetraëders (koolstofatomen) kunnen ten opzichte van elkaar geroteerd worden [12](#page=12). * **Geëclipseerde vorm:** Elke C–H binding op het ene koolstofatoom staat precies tegenover een C–H binding van het naburige koolstofatoom [12](#page=12). * **Geschrankte vorm:** Elke C–H binding is zo geplaatst dat deze precies het midden doorsnijdt van de hoek gevormd door twee C–H bindingen op het naburige koolstofatoom [12](#page=12). Deze vormen kunnen in elkaar overgaan door rotatie rond de C–C as zonder de binding te breken. Dit zijn **conformeren** van elkaar [12](#page=12). > **Definitie:** Conformeren zijn verschillende ruimtelijke vormen van eenzelfde molecuul die ontstaan als gevolg van rotatie rondom een enkelvoudige binding, waarbij geen bindingen worden gebroken [12](#page=12). #### 1.3.1 Opbouw van een Newmanprojectie Een Newmanprojectie wordt gebruikt om verschillende conformaties op papier voor te stellen [12](#page=12). 1. De molecule wordt zo geplaatst dat de waarnemer langs de rotatie-as kijkt [13](#page=13). 2. Het dichtstbijzijnde atoom wordt voorgesteld als het snijpunt van de bindingen, en het achterste atoom als een cirkel [13](#page=13). 3. De overige bindingen op elk atoom worden symmetrisch verdeeld in het vlak van het papier [13](#page=13). Voor ethaan zijn de Newmanprojecties voor de geëclipseerde en geschrankte conformaties als volgt [13](#page=13): H H H H H H H H H H H H geëclipseerde conformatie geschrankte conformatie Het verschil tussen deze conformaties is de **torsiehoek $\theta$**. In de geschrankte vorm is $\theta$ 60º, en in de geëclipseerde vorm 0º [14](#page=14). Rotatie rondom $\sigma$-bindingen is vrij. Elke conformatie heeft een verschillende inwendige energie. De geschrankte vorm is het meest energetisch, en de geëclipseerde vorm het minst energetisch. Dit verschil ontstaat door elektrostatische afstoting tussen de elektronenwolken van naburige $\sigma$-bindingen. In de geëclipseerde vorm staan deze dichter bij elkaar, wat leidt tot meer sterische hinder. De afstand tussen geëclipseerde waterstofatomen is 229 pm, terwijl deze voor geschrankte waterstofatomen 255 pm is [14](#page=14) [15](#page=15). De sterische hinder bij de geëclipseerde vorm leidt tot een energieverhoging van ongeveer 4 kJ.mol⁻¹ per C-H/C-H interactie. Voor ethaan cumuleert dit tot een energieverschil van 12 kJ.mol⁻¹ tussen de geëclipseerde en geschrankte vormen [15](#page=15). Omdat conformeren een verschillende energieinhoud hebben, worden ze beschouwd als **conformationele isomeren** [15](#page=15). > **Definitie:** Conformationele isomeren zijn isomeren van een molecule die verschillen in hun inwendige energie door rotatie van één (of meerdere) vrij draaibare chemische bindingen [15](#page=15). Het energiediagram voor ethaan toont een variatie in inwendige energie als functie van de torsiehoek $\theta$, met minima voor geschrankte posities en maxima voor geëclipseerde posities [15](#page=15). Geëclipseerd Torsiehoek $\theta$ 12 kJ.mol⁻¹ Geschrankt Door bewegingsenergie kunnen de verschillende geschrankte vormen continu in elkaar overgaan, waarbij de energiebarrière van de geëclipseerde vorm overwonnen moet worden. Bij kamertemperatuur wordt deze barrière meer dan 10⁶ keer per seconde overwonnen [16](#page=16). ### 1.4 Propaan De situatie voor propaan is analoog aan ethaan, maar nu worden zowel C–H als C–C bindingen overwogen in de Newmanprojecties [16](#page=16). H H H CH₃ H H H H H CH₃H H 60º 0º $\theta$ $\theta$ Het energiediagram voor propaan is vergelijkbaar, maar de energiebarrière voor de overgang tussen geschrankte vormen is iets hoger (14 kJ.mol⁻¹) dan bij ethaan, vanwege de grotere repulsie tussen geëclipseerde C–H en C–C bindingen [16](#page=16). H H CH₃ CH₃ H H 60º $\theta$ H H CH₃ H H CH₃ 180º $\theta$ H H CH₃ H CH₃ H -60º $\theta$ gauche anti gauche A maximaal eclips C eclips C eclips Torsiehoek $\theta$ 16 kJ.mol⁻¹ 3.5 kJ.mol⁻¹ 19 kJ.mol⁻¹ H CH₃ H CH₃H H 0º $\theta$ H CH₃ H HH CH₃ 120º $\theta$ H CH₃ H HCH₃ H -120º $\theta$ ### 1.5 Butaan De Newmanprojectie van butaan kan worden afgeleid van die van ethaan door één waterstofatoom op een koolstofatoom te vervangen door een methylgroep. Rotatie rond de centrale C2–C3 binding resulteert in drie geschrankte en drie geëclipseerde conformaties [18](#page=18). * De meest stabiele conformatie is de **anti-conformatie** ($\theta$ = 180º), waarbij de twee methylgroepen maximaal uit elkaar liggen en alle C–C en C–H bindingen geschrankt staan [18](#page=18). * De meest energetische conformatie is de **maximaal geëclipseerde vorm** ($\theta$ = 0º), waarbij de twee methylgroepen elkaar eclipseren. Deze vorm is 19 kJ.mol⁻¹ hoger in energie dan de anti-conformatie [18](#page=18). * De **eclips-conformeren** met $\theta$ = 120º en $\theta$ = 240º (-120º) liggen 3 kJ.mol⁻¹ hoger in energie dan de maximaal geëclipseerde vorm. De sterische hinder tussen C–H en C–C bindingen is hier kleiner dan tussen twee C–C bindingen [18](#page=18). * Naast de anti-conformatie zijn er ook twee **gauche-conformeren** waarbij de methylgroepen 60º (D) en 300º (-60º) (E) uit elkaar staan. In deze gauche-conformeren komen de methylgroepen dicht genoeg bij elkaar dat hun elektronenwolken elkaar raken, wat leidt tot elektrostatische repulsie en een energieverhoging van ongeveer 3.5 kJ.mol⁻¹ ten opzichte van de anti-conformatie [18](#page=18). Daarom wordt de anti-conformatie energetisch bevoordeeld. Bij kamertemperatuur bestaat butaan voor ongeveer 64% uit anti-conformeren en 18% uit elk van de gauche-conformeren [19](#page=19). De resultaten van de conformationele analyse van butaan kunnen geëxtrapoleerd worden naar alle andere niet-cyclische alkanen [19](#page=19). * De meest stabiele conformatie zal steeds die zijn waarbij de C–C bindingen in alle fragmenten anti staan [19](#page=19). * Vanwege de geringe energieverschillen zullen gauche-conformeren ook significant aanwezig zijn [19](#page=19). * Door de vrije draaibaarheid doorlopen moleculen snel een groot aantal mogelijke conformaties, wat toeneemt met de grootte van het koolwaterstofskelet [19](#page=19). Dit onderstreept dat organische moleculen dynamische, driedimensionale objecten zijn [19](#page=19). ### 1.6 De ruimtelijke structuur van alkenen en alkynen #### 1.6.1 Etheen en buteen als representatieve voorbeelden van alkenen De $\text{sp}^2$ hybridisatie van koolstofatomen en de aanwezigheid van een $\pi$-binding resulteren in een andere moleculaire vorm dan bij alkanen [20](#page=20). * In etheen liggen alle atomen in hetzelfde vlak, waardoor etheen een **planair molecuul** is, in tegenstelling tot ethaan [20](#page=20). H C C H H H etheen H C C H H H ethaan * Er is **geen vrije draaibaarheid** mogelijk rond een dubbele binding, omdat rotatie de overlap van p-orbitalen en dus de $\pi$-binding zou verbreken. Het breken van de $\pi$-binding kost 240 kJ.mol⁻¹ en treedt alleen op bij hoge temperaturen of onder invloed van licht [20](#page=20). Bij normale temperaturen behouden de vier substituenten rond dubbele bindingen hun plaats. Dit leidt bij alkenen, waarbij elk dubbel gebonden koolstofatoom verschillende substituenten draagt, tot de mogelijkheid van twee isomere vormen. Dit is het geval bij 2-buteen (CH₃–CH=CH–CH₃) [20](#page=20). CH₃ C C H₃C H H cis 2-buteen H C C H₃C H CH₃ trans 2-buteen * Als beide methylgroepen aan dezelfde zijde van de dubbele binding staan, spreekt men van het **cis-isomeer** [21](#page=21). * Staan de methylgroepen aan tegenovergestelde zijden, dan spreekt men van het **trans-isomeer** [21](#page=21). Dit type isomerie is **cis-trans diastereoisomerie** (ook wel geometrische isomerie genoemd). De termen 'cis' en 'trans' zijn niet eenduidig wanneer een koolstofatoom van de dubbele binding twee identieke substituenten draagt [21](#page=21). Cis- en trans-isomeren van alkenen hebben een verschillende energie-inhoud. Het trans-isomeer heeft een kleinere verbrandingswarmte, wat aangeeft dat het **stabieler** is dan het cis-isomeer. Dit verschil berust op ongunstige sterische interacties tussen substituenten in de cis-vorm die afwezig zijn in de trans-vorm [21](#page=21). > **Tip:** Hoe stabieler een verbinding, hoe meer energie nodig is om de bindingen te breken. Bij verbranding van stabielere verbindingen komt netto minder reactiewarmte vrij [21](#page=21). > **Ter informatie:** De omzetting van 11-cis-retinal naar het trans-isomeer in het oog, onder invloed van licht, is essentieel voor het nachtzicht door de activatie van rhodopsine in de staafjes van het netvlies. Een tekort aan vitamine A kan leiden tot onvoldoende retinal en daardoor tot nachtblindheid [22](#page=22). #### 1.6.2 Alkynen Bij alkynen zorgt de $\text{sp}$ hybridisatie ervoor dat alle bindingen waaraan de twee $\text{sp}$ koolstofatomen deelnemen, op één lijn liggen (lineair). Dit wordt geïllustreerd door ethyn (acetyleen) [22](#page=22). C C H H ethyn Een "trans dubbele binding" is geen correcte notatie; alkynen hebben een lineaire structuur rond de drievoudige binding [22](#page=22). --- # Stereochemie en stereo-isomerie Dit deel introduceert de concepten van stereo-isomerie, chiraliteit, enantiomerie en diastereomerie, inclusief de R,S-nomenclatuur, Fisherprojecties en optische activiteit, met een focus op hun relevantie in de biochemie en geneeskunde [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48) [49](#page=49) [50](#page=50) [51](#page=51) [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55) [56](#page=56) [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61) [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66). ### 2.1 Stereo-isomerie: inleiding Stereo-isomerie ontstaat door de driedimensionale ruimtelijke verdeling van substituenten rondom atomen, met name rond sp$^{3}$-koolstofatomen. Moleculen die aan stereo-isomerie onderhevig zijn, zoals aminozuren en suikers, hebben centraal een sp$^{3}$-koolstofatoom dat gebonden is aan vier verschillende atomen of atoomgroepen, ook wel substituenten genoemd. Deze sp$^{3}$-koolstofatomen, met een tetraëdrische omringing, kunnen leiden tot stereo-isomeren omdat er twee manieren bestaan om vier verschillende substituenten over de hoekpunten van een tetraëder te verdelen, zonder dat de ene tetraëder volledig met de andere overlapt kan worden [38](#page=38) [39](#page=39). #### 2.1.1 Het stereogene koolstofatoom Een koolstofatoom dat door een verschillende configuratie van zijn gebonden substituenten aanleiding geeft tot het ontstaan van stereo-isomeren, wordt aangeduid als een stereogeen koolstofatoom of stereogeen centrum. Vaak wordt dit aangegeven met een asterisk (*) in een structuurformule [39](#page=39). #### 2.1.2 Voorwaarden voor een stereogeen koolstofatoom Een koolstofatoom kan enkel stereogeen zijn indien het een sp$^{3}$-hybridisatie heeft (tetraëdrische omringing) en gebonden is aan vier verschillende substituenten (#page=40, 41). Indien twee substituenten identiek zijn, geeft het koolstofatoom geen aanleiding tot de vorming van stereo-isomeren. sp$^{2}$-koolstofatomen kunnen geen stereogeen centrum zijn, zelfs als ze drie verschillende substituenten hebben, omdat de substituenten in het vlak van de dubbele binding kunnen worden geroteerd zonder de molecule te veranderen [40](#page=40) [41](#page=41). ### 2.2 Chiraliteit en enantiomerie Moleculen met één stereogeen centrum geven aanleiding tot twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet overlappen. Deze moleculen worden als **chiraal** beschouwd (#page=41, 42). De term 'chiraal' komt van het Griekse woord 'cheir' voor hand, omdat onze handen een bekend voorbeeld zijn van een enantiomeer paar: ze zijn elkaars spiegelbeeld maar niet identiek. De twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn, vormen een **enantiomeer paar**. De specifieke vorm van stereo-isomerie die hierbij optreedt, wordt **enantiomerie** genoemd [41](#page=41) [42](#page=42). #### 2.2.1 Achirale moleculen Objecten die wel een spiegelbeeld hebben, maar identiek zijn aan hun spiegelbeeld en dus wel kunnen overlappen, worden **achiraal** genoemd. Een voorbeeld is een plastic beker. Een object is achiraal als er een spiegelvlak doorheen getrokken kan worden [43](#page=43). #### 2.2.2 Biomedisch voorbeeld: Softenon Een bekend en tragisch biomedisch voorbeeld van het effect van stereo-isomerie zijn de misvormingen veroorzaakt door het geneesmiddel Softenon (thalidomide). Eén stereo-isomeer kon zwangerschapsmisselijkheid voorkomen, terwijl het andere teratogene eigenschappen had, met misvormingen of vruchtafdrijving tot gevolg (#page=39, 65) [39](#page=39) [65](#page=65). ### 2.3 Optische activiteit De meeste fysische eigenschappen van enantiomeren, zoals dichtheid, smeltpunt en kookpunt, zijn identiek. Echter, enantiomeren interageren verschillend met **gepolariseerd licht**. Normaal licht heeft elektrische veldvectoren in alle mogelijke vlakken, terwijl vlak gepolariseerd licht een constante oriëntatie van deze vectoren heeft [44](#page=44). * **Optisch actief:** Wanneer een vlak gepolariseerde lichtstraal door een chiraal molecuul (of een oplossing ervan) gaat, kan er een draaiing van het polarisatievlak optreden. De verbinding wordt dan **optisch actief** genoemd [45](#page=45). * **Optisch inactief:** Een achiraal molecuul zal de richting van het polarisatievlak onveranderd laten [44](#page=44). De draaihoek wordt gemeten met een polarimeter. Om vergelijkingen mogelijk te maken, wordt vaak de **specifieke rotatie** $[ \alpha ]$ gebruikt, die onafhankelijk is van de afgelegde weg en concentratie [45](#page=45). ### 2.4 Fisherprojectie De Fisherprojectie is een conventionele tweedimensionale weergave die speciaal is ontworpen om de ruimtelijke verdeling van substituenten rondom een stereogeen centrum, met name bij suikers en aminozuren, ondubbelzinnig weer te geven [45](#page=45). #### 2.4.1 Opstellen van een Fisherprojectie Bij het opstellen van een Fisherprojectie worden de twee substituenten die horizontaal georiënteerd zijn naar de waarnemer toe gericht, en de andere twee, verticaal georiënteerde substituenten, van de waarnemer af gericht. Dit creëert een kruisvormige voorstelling die op het vlak van het papier wordt geprojecteerd [46](#page=46). * Het centrale koolstofatoom wordt niet weergegeven (#page=46, 47) [46](#page=46) [47](#page=47). * Er wordt gewerkt met hoeken van 90° [47](#page=47). * De koolstofketen wordt verticaal geplaatst, met de meest geoxideerde groep bovenaan (bv. carboxylgroep) [47](#page=47). #### 2.4.2 D- en L-vormen in Fisherprojecties Bij aminozuren en suikers wordt de Fisherprojectie gebruikt om D- en L-isomeren te onderscheiden. * **Suikers:** Als de functionele groep (bv. OH) rechts staat, is het de D-vorm ('dextro'); staat deze links, is het de L-vorm ('levo'). Bij glucose wordt het verschil tussen D- en L-vorm bepaald door de oriëntatie van de voorlaatste hydroxylgroep [48](#page=48) [49](#page=49). * **Aminozuren:** Als de aminegroep rechts staat, is het D-aminozuur; als deze links staat, is het L-aminozuur. In de biochemie van de cel worden voornamelijk L-aminozuren gebruikt voor eiwitten en D-suikers als energiebron [48](#page=48) [49](#page=49). #### 2.4.3 Eigenschappen van Fisherprojecties 1. **Permutatie van twee substituenten:** Het verwisselen van twee willekeurig gekozen substituenten in een Fisherprojectie resulteert in de projectie van het enantiomeer (het spiegelbeeld) (#page=49, 50). De absolute configuratie van het stereogeen centrum verandert hierdoor [49](#page=49) [50](#page=50). 2. **Twee opeenvolgende permutaties:** Twee opeenvolgende, onafhankelijke permutaties brengen het oorspronkelijke stereo-isomeer terug. Dit betekent dat het toegestaan is een Fisherprojectie over 180° te draaien [50](#page=50). 3. **Algemeen:** Bij moleculen met één stereogeen centrum genereert een oneven aantal permutaties steeds het enantiomeer, terwijl een even aantal permutaties de ruimtelijke structuur niet wijzigt [50](#page=50). Fisherprojecties zijn nuttig voor een beperkt aantal stereogene centra, maar worden niet gebruikt voor cyclische verbindingen [50](#page=50). ### 2.5 De R,S-nomenclatuur (CIP-nomenclatuur) De R,S-nomenclatuur, ontwikkeld door Cahn, Ingold en Prelog, maakt het mogelijk de absolute configuratie van stereogene centra ondubbelzinnig te benoemen [51](#page=51). #### 2.5.1 Regels voor de R,S-nomenclatuur 1. **Prioriteitstoekenning:** De vier substituenten rond het stereogeen centrum worden gerangschikt op basis van afnemende prioriteit [52](#page=52). * **a. Atoomgetal:** De atomen die direct aan het stereogeen koolstofatoom gebonden zijn, worden gerangschikt volgens afnemend atoomgetal. Het atoom met het hoogste atoomnummer krijgt prioriteit 1, het laagste prioriteit 4. (Voorbeeld: I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H). Waterstof (Z=1) heeft altijd de laagste prioriteit [52](#page=52). * **b. Vervolgketens:** Indien atomen direct aan het koolstofatoom hetzelfde atoomgetal hebben, wordt gekeken naar de atoomgetallen van de volgende atomen in de substituenten, enzovoort [52](#page=52). * **c. Meervoudige bindingen:** Dubbele bindingen worden 'ontdubbeld' tot twee enkelvoudige bindingen, en driedubbele bindingen tot drie enkelvoudige bindingen voor de prioriteitsbepaling [53](#page=53). 2. **Oriëntatie:** De driedimensionale voorstelling van de verbinding wordt zo georiënteerd dat de substituent met de laagste prioriteit naar achter wijst. De andere drie substituenten wijzen naar de kijker toe, vergelijkbaar met een stuurwiel [4](#page=4) [53](#page=53). 3. **Configuratiebepaling:** * Als de volgorde van de rangnummers 1 → 2 → 3 een rotatie in wijzerzin (rechtsdraaiend) aangeeft, is de configuratie **R** (rectus = rechts) [53](#page=53). * Als de volgorde een rotatie in tegenwijzerzin (linksdraaiend) aangeeft, is de configuratie **S** (sinister = links) [53](#page=53). ### 2.6 Moleculen met meerdere stereogene centra Bij moleculen met meer dan één stereogeen centrum kan een groter aantal stereo-isomeren ontstaan. Voor een molecule met $n$ stereogene centra, worden in principe $2^n$ stereo-isomeren verwacht, verdeeld over $2^{n-1}$ enantiomeer paren [54](#page=54) [56](#page=56). #### 2.6.1 Enantiomeren en diastereomeren * **Enantiomeren:** Twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet overlappen. Bij moleculen met meerdere stereogene centra vinden we enantiomeren door aan alle centra één permutatie uit te voeren (#page=54, 55) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Diastereomeren:** Stereo-isomeren die geen beeld en spiegelbeeld van elkaar zijn, maar wel verschillende ruimtelijke configuraties hebben. Deze ontstaan pas vanaf twee stereogene centra. Een enantiomeer van een paar is diastereomeer met alle stereo-isomeren van andere paren [55](#page=55) [56](#page=56). #### 2.6.2 Bijzondere gevallen: meso-verbindingen en racemaat * **Meso-verbindingen:** Moleculen met stereogene centra die intern een symmetrievlak hebben, waardoor ze achiraal zijn ondanks de aanwezigheid van stereogene centra. Een bekend voorbeeld is wijnsteenzuur, waarbij de 2R,3S- en 2S,3R-vorm feitelijk hetzelfde stereo-isomeer voorstellen en mesovorm genoemd worden (#page=56, 57) [56](#page=56) [57](#page=57). * **Racemaat:** Een mengsel van twee enantiomeren van dezelfde verbinding in gelijke hoeveelheden. Racematen kunnen specifieke eigenschappen hebben die verschillen van de samenstellende enantiomeren [58](#page=58). ### 2.7 Fysische en chemische eigenschappen van stereo-isomeren * **Enantiomeren:** Vertonen dezelfde fysische eigenschappen (kookpunt, smeltpunt, dichtheid, oplosbaarheid), maar verschillen in hun interactie met gepolariseerd licht en chirale reagentia (#page=44, 57, 58, 59) [44](#page=44) [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59). * **Diastereomeren:** Hebben duidelijk verschillende fysische eigenschappen [58](#page=58). * **Racematen:** Kunnen eigenschappen hebben die afwijken van de pure enantiomeren [58](#page=58). ### 2.8 Chemische, biochemische en biomedische relevantie van stereo-isomerie De verschillen in ruimtelijke configuratie van stereo-isomeren leiden tot verschillende interacties met andere moleculen, wat resulteert in een verschillende fysiologische respons (#page=43, 59) [43](#page=43) [59](#page=59). * **Interactie met achirale reagentia:** Enantiomeren reageren hetzelfde met achirale reagentia, wat resulteert in geen verschil in reactieproducten of -snelheden (#page=59, 62) [59](#page=59) [62](#page=62). * **Interactie met chirale reagentia/receptoren:** Enantiomeren reageren verschillend met chirale reagentia of receptoren, zoals enzymen, geurreceptoren of DNA (#page=43, 59, 60, 62, 63, 64, 65). Dit principe verklaart de stereoselectiviteit van enzymen en de verschillende geuren van enantiomeren van limoneen (citroen vs. sinaasappel) (#page=62, 63) [43](#page=43) [59](#page=59) [60](#page=60) [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65). * **Diastereomeren:** Reageren altijd verschillend, ongeacht of het reagens chiraal of achiraal is [62](#page=62). #### 2.8.1 Toepassingen in geneesmiddelen en biochemie * **Enzymen:** Zijn chiraal (opgebouwd uit L-aminozuren) en daardoor stereoselectief. Ze versnellen de omzetting van één enantiomeer van een substraat veel meer dan van het andere, volgens het sleutel-slotprincipe. Dit wordt benut bij de scheiding van enantiomeren in racematen, zoals bij naproxen [62](#page=62) [63](#page=63). * **Geneesmiddelen:** Veel geneesmiddelen worden als racemaat geproduceerd. Soms wordt slechts één enantiomeer de gewenste activiteit getoond (bv. S-ibuprofen is actiever dan R-ibuprofen). In andere gevallen kan het verkeerde enantiomeer schadelijk zijn (bv. Softenon) (#page=39, 65). L-Dopa wordt gebruikt bij Parkinson, omdat het door een enzym wordt omgezet tot dopamine, terwijl D-Dopa inactief is [39](#page=39) [58](#page=58) [64](#page=64) [65](#page=65). ### 2.9 Andere vormen van stereo-isomerie: cis-trans isomerie Naast stereo-isomerie rond sp$^{3}$-koolstofatomen, kan ook de tweevoudige koolstof-koolstofbinding in alkenen leiden tot stereo-isomerie, bekend als **cis-trans isomerie** of **geometrische isomerie** [66](#page=66). * Door de vlakke structuur en de beperkte draaibaarheid rond een dubbele binding, kunnen twee isomere vormen ontstaan wanneer elk van de dubbel gebonden sp$^{2}$-koolstofatomen verschillende substituenten draagt [66](#page=66). * **cis-isomeer:** Gelijke substituenten staan aan dezelfde zijde van de dubbele binding [66](#page=66). * **trans-isomeer:** Gelijke substituenten staan aan tegenovergestelde zijden van de dubbele binding [66](#page=66). Cis en trans alkenen zijn stereo-isomeren, maar vormen geen enantiomeer paar. Ze zijn diastereomeren van elkaar. Deze vorm van isomerie komt ook voor in cyclische verbindingen, waar het cis-trans onderscheid gemaakt wordt op basis van de positie van substituenten ten opzichte van het 'vlak' van de ring (#page=35, 36). In gesubstitueerde cyclohexanen is de equatoriale positie energetisch gunstiger dan de axiale positie [32](#page=32) [35](#page=35) [36](#page=36) [66](#page=66). --- # Ruimtelijke structuur van cyclische verbindingen Dit onderwerp onderzoekt de verschillende ruimtelijke arrangementen van atomen in cyclische verbindingen, met een focus op hoe ringstructuren de conformatiemogelijkheden beperken en hoe dit leidt tot spanningsvormen zoals Bayerspanning en Pitzerspanning, en specifieke conformeren zoals de stoelconformatie van cyclohexaan [23](#page=23). ### 3.1 Algemene principes van cyclische structuren De aanwezigheid van een gesloten keten in cyclische verbindingen beperkt significant het aantal mogelijke conformeren, aangezien rotaties rond C-C bindingen de ringstructuur moeten behouden zonder bindingen te verbreken. Veel biochemisch en biomedisch belangrijke verbindingen, zoals sucrose en cholesterol, bevatten één of meerdere ringen in hun koolstofskelet, wat het bestuderen van cyclische alkanen als basisskelet essentieel maakt [23](#page=23). ### 3.2 Spanning in cyclische verbindingen #### 3.2.1 Bayerspanning (hoekspanning) Bayerspanning, ook wel hoekspanning genoemd, ontstaat door de afwijking van de ideale tetraëdrische valentiehoek ($109.5^\circ$) bij sp3-gehybridiseerde koolstofatomen in een cyclische structuur. In cyclopropaan, waar de koolstofatomen een gelijkzijdige driehoek vormen, is de valentiehoek tussen de C-C bindingen $60^\circ$, wat een grote afwijking is en leidt tot een verhoogde inwendige energie en reactiviteit van het molecuul [23](#page=23) [24](#page=24). #### 3.2.2 Pitzerspanning (torsiespanning) Pitzerspanning, of torsiespanning, ontstaat door eclipsconformaties tussen bindingen op naburige koolstofatomen in een ring. In cyclopropaan zijn alle naburige C-H bindingen noodgedwongen geëclipseerd, wat leidt tot een verhoging van de inwendige energie. Deze spanning draagt bij aan de reactiviteit van cyclopropaan [24](#page=24). ### 3.3 Conformaties van kleinere cyclische alkanen #### 3.3.1 Cyclopropaan Cyclopropaan (C3H6) heeft slechts één mogelijke conformatie, waarbij de drie koolstofatomen de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek vormen. De koolstofatomen zijn coplanair en de C-C bindingshoeken zijn $60^\circ$, wat aanzienlijke Bayerspanning veroorzaakt. Bovendien zijn de C-H bindingen geëclipseerd, wat Pitzerspanning veroorzaakt. De gecombineerde spanning maakt cyclopropaan zeer reactief [23](#page=23) [24](#page=24). > **Tip:** De hogere verbrandingswarmte per CH2-groep voor cyclopropaan vergeleken met lineaire alkanen illustreert de aanwezigheid van deze spanningen [24](#page=24). #### 3.3.2 Cyclobutaan en cyclopentaan Voor vlakke cyclobutaan zouden de C-C bindingshoeken $90^\circ$ zijn, en voor vlak cyclopentaan $108^\circ$. Hoewel dit minder Bayerspanning oplevert dan cyclopropaan, wordt deze spanning vermeden door het aannemen van niet-vlakke conformeren [25](#page=25) [26](#page=26). * **Cyclobutaan:** Neemt een "vlinderconformatie" aan om de Pitzerspanning te verminderen, waarbij de ring iets verwrongen is om eclipsinteracties tussen C-H bindingen te minimaliseren [26](#page=26). * **Cyclopentaan:** Neemt een conformatie aan die lijkt op een "open envelope" om Pitzerspanning te reduceren. In deze conformatie wordt het aantal volledig geëclipseerde C-H bindingsparen gereduceerd, en ontstaan er geschrankte conformaties rondom de C-C bindingen [26](#page=26). De verbrandingswarmtegegevens suggereren dat, ondanks de Bayerspanning, cyclopentaan energetisch gunstiger is dan cyclobutaan in vlakke modellen, maar de niet-vlakke conformeren spelen een cruciale rol in de werkelijke stabiliteit [25](#page=25). ### 3.4 Cyclohexaan: de stoelconformatie Cyclohexaan is een bijzonder belangrijke ringstructuur omdat het een conformatie kan aannemen waarin zowel Bayerspanning als Pitzerspanning afwezig zijn. Dit is de **stoelconformatie** [27](#page=27). * In de stoelconformatie zijn alle valentiehoeken $109.5^\circ$, wat de Bayerspanning elimineert [27](#page=27). * Alle bindingen op naburige koolstofatomen zijn geschrankt, wat de Pitzerspanning elimineert [27](#page=27). Dit leidt tot een totale afwezigheid van spanning, wat blijkt uit het feit dat de verbrandingswarmte per CH2-groep identiek is aan die van lineaire alkanen [27](#page=27). #### 3.4.1 Axiale en equatoriale bindingen De stoelconformatie van cyclohexaan heeft twee soorten C-H bindingen [28](#page=28): * **Axiale bindingen:** Zes waterstofatomen (of substituenten) die loodrecht op het "vlak" van de zesring staan, afwisselend naar boven en naar beneden gericht [28](#page=28). * **Equatoriale bindingen:** Zes waterstofatomen (of substituenten) die in het "vlak" van de zesring liggen [28](#page=28). Elk koolstofatoom in de ring draagt één axiale en één equatoriale C-H binding [28](#page=28). #### 3.4.2 Conformationele inversie van de stoelvorm Net als butaan, kan cyclohexaan twee energetisch even stabiele stoelvormen hebben die in elkaar kunnen overgaan of "omklappen". Bij kamertemperatuur gebeurt dit zeer snel (ongeveer 1000 keer per seconde). Het cruciale gevolg van deze omklapping is dat alle equatoriale bindingen axiaal worden en vice versa. Beide stoelvormen van cyclohexaan zelf komen in een 50:50 verhouding voor, aangezien ze energetisch identiek zijn [28](#page=28) [29](#page=29). ### 3.5 Gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten De aanwezigheid van substituenten op de cyclohexaanring beïnvloedt de stabiliteit van de verschillende conformeren. #### 3.5.1 Mono-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten Wanneer een substituent aan de cyclohexaanring wordt gebonden, ontstaan er twee mogelijke conformeren na ringomklapping: het axiale en het equatoriale substituut [29](#page=29). * **Equatoriaal substituut:** De substituent bevindt zich in een equatoriale positie. * **Axiaal substituut:** De substituent bevindt zich in een axiale positie. Deze twee vormen zijn **conformationele isomeren** van elkaar, omdat ze door ringomklapping in elkaar over kunnen gaan. Echter, ze hebben niet dezelfde energie-inhoud [29](#page=29) [30](#page=30). De axiale vorm heeft een hogere inwendige energie dan de equatoriale vorm. Dit komt door sterische interacties tussen de axiale substituent en de axiale waterstofatomen op dezelfde zijde van de ring. Deze interactie is analoog aan de gauche-butaaninteractie. Vermits er twee van dergelijke sterische contacten optreden, is de energieverhoging in axiaal methylcyclohexaan ongeveer $7 \text{ kJ.mol}^{-1}$ [30](#page=30) [31](#page=31). In de equatoriale vorm zijn er geen gauche-butaaninteracties. De substituent bevindt zich dan in een conformatie die vergelijkbaar is met anti-butaan [31](#page=31). Als gevolg van dit energieverschil, komen mono-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten bij kamertemperatuur hoofdzakelijk voor met de substituent in de equatoriale oriëntatie. Hoe groter de substituent, hoe groter het energieverschil en hoe kleiner het aandeel van het axiale conformeer. Tertiair-butylcyclohexaan komt bijvoorbeeld uitsluitend in de equatoriale conformatie voor [32](#page=32). > **Definitie:** Verbindingen die slechts in één conformatie kunnen voorkomen, worden **conformationeel homogeen** genoemd [32](#page=32). #### 3.5.2 Di-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten Bij twee substituenten op de cyclohexaanring ontstaan er verschillende isomerie-vormen. * **Ketenisomeren:** Verschillen in de chemische verbinding van de atomen (bv. 1,1-, 1,2-, 1,3-, 1,4-dimethylcyclohexaan) [33](#page=33). * **Conformationele isomeren:** Verschillende ruimtelijke arrangementen van dezelfde ketenisomeren, die door ringomklapping in elkaar over kunnen gaan. * **cis-1,3-dimethylcyclohexaan:** De twee methylgroepen staan aan dezelfde zijde van de ring. Dit isomeer kan voorkomen als di-equatoriaal of di-axiaal conformeer. De di-equatoriale vorm is energetisch gunstiger en overheerst. De di-axiale vorm is energetisch ongunstig door sterische contacten [33](#page=33) [36](#page=36). * **trans-1,3-dimethylcyclohexaan:** De twee methylgroepen staan aan tegenovergestelde zijden van de ring. Dit isomeer kan voorkomen als equatoriaal/axiaal of axiaal/equatoriaal conformeer. Beide conformeren zijn energetisch gelijkwaardig en komen in een 50:50 verhouding voor [34](#page=34) [36](#page=36). * **Stereoisomeren (cis-trans diastereomerie):** Moleculen die niet in elkaar over kunnen gaan door ringomklapping, maar wel verschillen in hun ruimtelijke opvulling. Dit type isomerie is vergelijkbaar met de geometrische isomerie aan dubbele bindingen [35](#page=35). * **cis-isomeer:** De substituenten staan aan dezelfde zijde van het "vlak" van de cycloalkaanring [35](#page=35) [36](#page=36). * **trans-isomeer:** De substituenten staan aan tegenovergestelde zijden van het "vlak" van de cycloalkaanring [36](#page=36). #### 3.5.3 Natuurlijke voorbeelden In de natuur komen veel gesubstitueerde vijf- en zesringen voor. Hierbij moet rekening gehouden worden met stereoisomerie en conformationele isomerie. D-glucose is een voorbeeld van een zesring dat voorkomt als twee geometrische isomeren, $\alpha$-D-glucose en $\beta$-D-glucose. Deze zijn **niet** conformationeel omzetbaar door ringomklapping en zijn conformationeel homogeen, omdat bij omklappen alle substituenten axiaal zouden komen te staan [37](#page=37). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Hybridebinding | Een binding die ontstaat door de interactie van verschillende orbitalen, resulterend in een specifieke ruimtelijke oriëntatie en eigenschappen van de binding. | | Valentiehoek | De hoek die gevormd wordt door de lijnen die de kernen van twee gebonden atomen verbinden met de kern van een centraal atoom. Deze hoek is kenmerkend voor de ruimtelijke structuur van een molecuul. | | Conformationele isomerie | Een vorm van isomerie waarbij moleculen dezelfde chemische formule en opeenvolging van atomen hebben, maar verschillen in de ruimtelijke ordening door rotatie rond enkelvoudige bindingen zonder de breking van bindingen. | | Newmanprojectie | Een grafische weergave die de ruimtelijke oriëntatie van substituenten rond een bepaalde binding in een molecuul toont, gezien vanuit de lengteas van die binding. | | Torsiehoek | De hoek tussen twee substituenten op naburige atomen, gemeten rond de as van de binding die deze atomen verbindt. Deze hoek is bepalend voor de conformatie van een molecuul. | | Sterische hinder | De afstoting tussen de elektronenwolken van naburige atomen of groepen in een molecuul, die de ruimtelijke rangschikking beïnvloedt en de energie van het molecuul verhoogt. | | Conformationele isomeren | Verschillende ruimtelijke vormen van eenzelfde molecuul die ontstaan door rotatie rond enkelvoudige bindingen, en die verschillende inwendige energieën hebben. | | Bayerspanning | De spanning die ontstaat in cyclische verbindingen door de afwijking van de ideale tetraëdrische valentiehoek van sp3-koolstofatomen, wat leidt tot een hogere inwendige energie. | | Pitzerspanning | De spanning die ontstaat in cyclische verbindingen door de afstoting tussen geëclipseerde bindingen op naburige koolstofatomen, wat de energie-inhoud van het molecuul verhoogt. | | Stereochemie | Het onderdeel van de scheikunde dat zich bezighoudt met de driedimensionale structuur van moleculen en hoe deze structuur chemische eigenschappen en reactiviteit beïnvloedt. | | Stereo-isomerie | Een vorm van isomerie waarbij moleculen dezelfde brutoformule en connectiviteit hebben, maar verschillen in de ruimtelijke rangschikking van hun atomen. | | Stereogeen centrum | Een atoom in een molecuul, meestal een koolstofatoom, dat gebonden is aan vier verschillende substituenten, waardoor het molecuul chirale eigenschappen kan vertonen. | | Chiraal | Een molecuul of voorwerp dat niet identiek is aan zijn spiegelbeeld, vergelijkbaar met een menselijke hand. Chirale moleculen kunnen in twee niet-overlappende spiegelbeelden, enantiomeren, voorkomen. | | Enantiomeer paar | Twee stereo-isomeren die elkaars niet-overlappende spiegelbeelden zijn. Ze hebben dezelfde fysische eigenschappen, behalve hun interactie met gepolariseerd licht en andere chirale moleculen. | | Optische activiteit | Het vermogen van een chiraal molecuul om het vlak van gepolariseerd licht te draaien. Dit effect is essentieel voor de identificatie en scheiding van enantiomeren. | | Fisherprojectie | Een tweedimensionale weergave van een driedimensionale moleculaire structuur, met name rond een stereogeen centrum, waarbij horizontale lijnen naar de waarnemer toe wijzen en verticale lijnen van de waarnemer af. | | R,S-nomenclatuur | Een systeem voor het benoemen van de absolute configuratie van stereogene centra in een molecuul, gebaseerd op de prioriteit van de substituenten rond dat centrum. R staat voor rectus (rechts) en S voor sinister (links). | | Diastereomeren | Stereo-isomeren van een molecuul die geen enantiomeren van elkaar zijn. Ze ontstaan wanneer een molecuul twee of meer stereogene centra heeft en hun ruimtelijke configuraties niet spiegelbeeldig aan elkaar zijn. | | Racemaat | Een equimolaire (gelijke hoeveelheden) mengsel van twee enantiomeren van een chirale verbinding. Racematen zijn optisch inactief omdat de draaiing van het gepolariseerde licht door het ene enantiomeer wordt opgeheven door het andere. | | Stereoselectiviteit | Een reactie waarbij één stereo-isomeer van een reactant met een hogere snelheid wordt gevormd dan de andere, of waarbij een specifiek stereo-isomeer als product ontstaat. Dit is cruciaal in biochemische reacties, met name enzymatische reacties. |

# Enzymes et régulation enzymatique Ce sujet explore le fonctionnement des enzymes et les mécanismes variés qui permettent de contrôler leur activité. ## 1. Enzymes et régulation enzymatique ### 1.1 Introduction aux enzymes et voies métaboliques Les enzymes sont des protéines biologiques qui agissent comme catalyseurs de réactions chimiques, avec une spécificité remarquable et la capacité d'être régulées. Les voies métaboliques sont des séquences de réactions chimiques catalysées par des enzymes, où le produit d'une réaction sert de substrat à la suivante. Ces voies peuvent être linéaires, ramifiées ou cycliques. La régulation de l'activité enzymatique est cruciale pour le contrôle des activités cellulaires; une régulation inappropriée peut mener à des maladies, comme le cancer, où la surexpression d'enzymes telles que la tyrosine kinase est associée à des altérations cellulaires [3](#page=3). ### 1.2 Voies métaboliques et enzyme clé Dans une voie métabolique, la plupart des enzymes sont présentes en excès, ce qui signifie que la vitesse des réactions dépend principalement de la concentration des substrats. Cependant, une enzyme régulatrice, qui catalyse la réaction limitante, contrôle le flux de la voie [3](#page=3). #### 1.2.1 La réaction limitante La réaction limitante est définie comme : * La première réaction spécifique d'une voie métabolique [4](#page=4). * La réaction la plus lente de la voie, imposant ainsi sa cadence à l'ensemble de la séquence [4](#page=4). * Généralement irréversible [4](#page=4). La vitesse de la réaction limitante dépend de trois facteurs principaux : 1. La disponibilité en substrat et en coenzyme [4](#page=4). 2. La concentration de l'enzyme régulatrice [4](#page=4). 3. L'activité de l'enzyme régulatrice [4](#page=4). #### 1.2.2 Disponibilité en substrat et coenzyme La disponibilité d'un substrat est déterminée par l'approvisionnement en précurseurs et le flux métabolique qui le convertit. Une fois que le substrat est disponible, la vitesse de réaction augmente tant que l'enzyme n'est pas saturée [4](#page=4). La disponibilité d'un coenzyme dépend de son propre approvisionnement et de sa régénération sous une forme utilisable par l'enzyme [4](#page=4). ### 1.3 Régulation enzymatique La régulation enzymatique peut s'exercer selon deux grands principes : 1. **Contrôle de la quantité de l'enzyme**: Cela implique d'ajuster le nombre de molécules enzymatiques présentes dans la cellule par des mécanismes comme l'induction, la répression ou la dégradation. Ces mécanismes sont généralement lents et assurent un contrôle à long terme [5](#page=5). 2. **Contrôle de l'activité de l'enzyme**: Cela consiste à moduler l'activité des molécules enzymatiques déjà synthétisées, par des processus d'inhibition ou d'activation. Ces mécanismes sont rapides et permettent une adaptation aux changements de conditions à court terme [5](#page=5). #### 1.3.1 Contrôle de la quantité de l'enzyme Ce mode de régulation est largement lié à la régulation génétique, ajustant la synthèse enzymatique [5](#page=5). * **Induction**: Augmentation de la synthèse d'une enzyme en réponse à un inducteur. Par exemple, la glucokinase est stimulée par son substrat, le glucose. Les enzymes régulées de cette manière sont dites inductibles [5](#page=5). * **Répression**: Diminution de la synthèse d'une enzyme par un répresseur [5](#page=5). * **Régulation par dégradation des protéines**: Une fois qu'un produit final d'une voie métabolique est synthétisé, les enzymes impliquées peuvent être dégradées, souvent dans les lysosomes, pour arrêter la production [6](#page=6). #### 1.3.2 Contrôle de l'activité enzymatique Plusieurs mécanismes permettent de moduler l'activité des enzymes préexistantes. ##### 1.3.2.1 Rétroinhibition La rétroinhibition, ou rétroaction négative, est un mécanisme rapide où le produit final d'une voie de biosynthèse inhibe directement la première enzyme de cette voie [6](#page=6). * Il s'agit d'une interaction non covalente et réversible [6](#page=6). * Si l'inhibiteur ressemble au substrat, il peut se lier au site actif (inhibition compétitive) [6](#page=6). * Un inhibiteur n'ayant pas de structure similaire au substrat peut se lier à un site différent du site actif, agissant comme un inhibiteur allostérique [6](#page=6). * La rétroinhibition peut impliquer de multiples boucles d'inhibition, notamment dans les voies de synthèse ramifiées [6](#page=6) [7](#page=7). ##### 1.3.2.2 Activation par protéolyse Certaines enzymes sont sécrétées sous forme inactive, appelée proenzymes ou zymogènes. Un zymogène est inactif car une chaîne polypeptidique supplémentaire masque le site actif. L'activation se produit par le clivage de cette chaîne, révélant le site actif. L'héxapeptide de l'extrémité N-terminale peut modifier la conformation de la protéine; la trypsine, une enzyme pancréatique, en est un exemple [7](#page=7). ##### 1.3.2.3 Modification covalente réversible L'activité enzymatique peut être modifiée par la formation réversible de liaisons covalentes avec des groupes chimiques. Les types de modifications incluent [7](#page=7): * Méthylation (ajout d'un groupe méthyle) [7](#page=7) [8](#page=8). * Adénylation (ajout d'un groupe AMP) [7](#page=7) [8](#page=8). * Phosphorylation (ajout d'un groupe phosphate) [7](#page=7) [8](#page=8). * Uridylation (ajout d'un groupe uridine) [7](#page=7). * ADP-Ribosylation (ajout d'un groupe ADP-Ribose) [7](#page=7) [8](#page=8). La phosphorylation est la modification la plus couramment utilisée pour réguler l'activité enzymatique. Elle implique l'ajout d'un groupe phosphate aux groupes hydroxyle de résidus sérine, thréonine ou tyrosine. Cette réaction est catalysée par des protéine kinases, tandis que la déphosphorylation, l'élimination du groupe phosphate, est effectuée par des phosphatases. La forme phosphorylée ou déphosphorylée peut être la forme active selon l'enzyme [8](#page=8). ##### 1.3.2.4 Interaction protéine-protéine Chez certaines enzymes composées de multiples sous-unités (catalytiques et régulatrices), l'inactivation peut survenir lorsque l'enzyme est entière. La liaison d'une molécule régulatrice, comme l'AMPc, aux sous-unités régulatrices peut libérer les sous-unités catalytiques, rendant l'enzyme pleinement active [8](#page=8). ### 1.4 Enzymes allostériques et régulation #### 1.4.1 Définition et structure L'allostérie décrit une modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, conférant ainsi des propriétés particulières, notamment un changement d'activité. Cette régulation est efficace lorsque la macromolécule est sous forme polymérique [1](#page=1). Les enzymes allostériques sont une classe d'enzymes de régulation qui possèdent des sites supplémentaires, appelés sites allostériques, en plus du site actif. Ces sites allostériques peuvent être uniques ou multiples. Les enzymes allostériques sont souvent composées de plusieurs sous-unités (protomères) occupant des positions équivalentes et présentant une symétrie. Chaque protomère possède un site actif pour fixer le substrat (S) et le transformer en produit (P), ainsi qu'un site régulateur pour la fixation réversible d'un effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.4.2 Mode d'action et rôle La fixation d'un effecteur allostérique sur le site régulateur entraîne une modification conformationnelle du site actif, altérant ainsi l'activité biologique de l'enzyme (augmentation ou diminution). Les enzymes allostériques jouent un rôle régulateur essentiel dans les voies métaboliques, catalysant souvent la première réaction limitante et permettant d'adapter le métabolisme aux besoins cellulaires [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.4.3 Caractéristiques cinétiques Les enzymes allostériques ne suivent pas la cinétique de Michaelis-Menten. Leur courbe de vitesse en fonction de la concentration du substrat ($v_i$ vs $S$) présente une forme sigmoïdale [10](#page=10). * **Coopérativité**: La fixation d'un substrat sur une sous-unité influence la fixation des substrats sur les autres sous-unités [10](#page=10). * **Coopérativité positive**: La liaison d'un substrat augmente l'affinité de l'enzyme pour d'autres molécules de substrats [11](#page=11). * **Coopérativité négative (anticoopérativité)**: La liaison d'un substrat diminue l'affinité de l'enzyme pour d'autres molécules de substrats [11](#page=11). * La coopérativité nulle correspond à la cinétique Michaelis-Menten ($n=1$) [11](#page=11). * **Coefficient de Hill (n)**: Il mesure le degré de coopérativité. Plus $n$ est élevé, plus la coopérativité est forte [11](#page=11). * $n > 1$ : Coopérativité positive * $n = 1$ : Coopérativité nulle * $0 < n < 1$ : Coopérativité négative #### 1.4.4 Modèles allostériques Le comportement des enzymes allostériques est décrit par deux modèles principaux : 1. **Modèle symétrique (concerté) de Monod-Wyman-Changeux (MWC, 1965)** : * La symétrie est conservée: tous les changements conformationnels affectent simultanément toutes les sous-unités [11](#page=11). * L'enzyme existe sous deux formes: T (tendue, faible activité et affinité) et R (relâchée, forte activité et affinité) [11](#page=11) [9](#page=9). * Le ligand se fixe aux formes T ou R selon des affinités différentes, et la fixation du ligand modifie l'équilibre entre les formes T et R [11](#page=11). 2. **Modèle séquentiel de Koshland ** : * Chaque sous-unité passe individuellement d'un état à un autre, et les sous-unités peuvent avoir des affinités différentes pour le substrat [12](#page=12). * Le changement d'état d'une sous-unité influence le changement des autres sous-unités, se produisant en cascade de manière séquentielle [12](#page=12). * La symétrie n'est pas toujours conservée, permettant l'observation de formes hybrides où les formes T et R coexistent [12](#page=12). > **Tip:** Comprendre les différences entre les modèles MWC et Koshland est crucial pour expliquer la sigmoïdalité observée dans la cinétique des enzymes allostériques. Le modèle MWC postule un changement concerté de toutes les sous-unités, tandis que le modèle de Koshland permet des changements séquentiels et asymétriques. ### 1.5 Facteurs influençant la cinétique enzymatique #### 1.5.1 Effecteurs chimiques * **Activateurs chimiques**: Ces molécules se fixent à l'enzyme (et/ou augmentent son activité). Ils peuvent soit augmenter l'affinité pour le substrat ($K_M$), soit augmenter l'activité maximale ($V_{max}$). La fixation peut être réversible (liaison faible, phénomène instantané) ou irréversible (liaison covalente, phénomène lent) [1](#page=1). * **Inhibiteurs chimiques** : Bien que non détaillés dans cette section, les inhibiteurs jouent un rôle majeur dans la régulation enzymatique, comme vu précédemment avec la rétroinhibition. > **Tip:** La distinction entre activateurs et inhibiteurs est fondamentale. Les activateurs augmentent l'efficacité enzymatique, tandis que les inhibiteurs la réduisent. Les mécanismes d'action peuvent être variés, allant de la modification directe du site actif à des changements conformationnels globaux de l'enzyme. --- # Facteurs influençant la cinétique enzymatique Cette section détaille les éléments qui modulent la vitesse des réactions enzymatiques, en abordant notamment les activateurs chimiques et le fonctionnement des enzymes allostériques. ### 2.1 Activateurs chimiques Les activateurs sont des molécules qui se lient à l'enzyme, soit pour augmenter son affinité pour le substrat (diminution de $K_M$), soit pour accroître son activité maximale ($V_{max}$) [1](#page=1). * **Nature de la liaison:** * **Réversible:** L'activateur se fixe à l'enzyme par des liaisons faibles, permettant une modulation rapide et instantanée de l'activité [1](#page=1). * **Irréversible:** L'activateur se lie par une liaison covalente, entraînant un processus de modification plus lent mais potentiellement plus durable [1](#page=1). ### 2.2 Enzymes et effecteurs allostériques L'allostérie décrit la modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, conférant ainsi de nouvelles propriétés, notamment une modification de l'activité. La structure d'une macromolécule est intrinsèquement liée à sa fonction [1](#page=1). #### 2.2.1 Structure et mode d'action des enzymes allostériques Les enzymes allostériques sont souvent des protéines polymériques, dont la structure quaternaire est composée de plusieurs chaînes d'acides aminés appelées protomères [1](#page=1). * **Protomères:** Ils occupent des positions équivalentes et présentent une symétrie mutuelle. Chaque protomère possède deux sites fonctionnels distincts [1](#page=1): * **Site actif:** Lieu de fixation du substrat (S) et de sa transformation en produit (P) [1](#page=1). * **Site régulateur:** Site où se fixe l'effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) de manière réversible [1](#page=1). * **Conséquence de la fixation de l'effecteur:** La fixation d'un effecteur sur le site régulateur entraîne une modification conformationnelle du site actif. Cette modification peut altérer positivement ou négativement l'activité biologique de l'enzyme [1](#page=1). #### 2.2.2 Caractéristiques des enzymes allostériques Les enzymes allostériques constituent une classe d'enzymes cruciales pour la régulation. Elles sont caractérisées par une régulation enzymatique via la liaison non covalente et réversible de molécules régulatrices, appelées modulateurs allostériques ou effecteurs allostériques. Ces enzymes possèdent des sites supplémentaires, distincts du site actif, nommés sites allostériques. Une enzyme allostérique peut comporter un ou plusieurs sites allostériques [2](#page=2). #### 2.2.3 Rôles des enzymes allostériques Le rôle principal des enzymes allostériques est la régulation des voies métaboliques. En catalysant la première réaction limitante d'une voie métabolique, elles permettent d'adapter le métabolisme cellulaire aux besoins physiologiques changeants. La régulation de l'activité enzymatique est fondamentale pour le contrôle des voies métaboliques; une absence de régulation peut entraîner des dysfonctionnements cellulaires et le développement de maladies, comme le cancer, où la surexpression de certaines enzymes, telle que la tyrosine kinase, est associée à des altérations cellulaires [2](#page=2) [3](#page=3). > **Tip:** Les enzymes allostériques sont des points de contrôle clés dans le réseau métabolique, assurant l'efficacité et la flexibilité des processus cellulaires. ### 2.3 La réaction limitante et la vitesse enzymatique Une voie métabolique est une séquence de réactions chimiques catalysées par des enzymes. Dans la plupart des cas, les enzymes sont présentes en excès et la vitesse des réactions dépend des concentrations de substrats. Cependant, une enzyme spécifique, dite enzyme régulatrice, catalyse la réaction limitante et contrôle le flux global de la voie [3](#page=3). #### 2.3.1 Définition de la réaction limitante La réaction limitante est définie comme : * La première réaction spécifique d'une voie métabolique [4](#page=4). * La réaction la plus lente de la voie, imposant sa cadence à l'ensemble du processus [4](#page=4). * Une réaction généralement irréversible [4](#page=4). #### 2.3.2 Facteurs influençant la vitesse de la réaction limitante La vitesse de la réaction limitante est déterminée par trois facteurs principaux [4](#page=4): 1. **Disponibilité en substrat et coenzyme:** La concentration de substrat et de cofacteurs disponibles est cruciale. 2. **Concentration en enzyme:** La quantité d'enzyme active présente. 3. **Activité de l'enzyme:** L'efficacité intrinsèque de l'enzyme, qui peut être modulée par divers facteurs. #### 2.3.3 Disponibilité du substrat et du coenzyme La disponibilité du substrat (S) dépend de l'apport des précurseurs métaboliques et du flux métabolique qui les convertit en S. Tant que l'enzyme n'est pas saturée, une augmentation de la disponibilité de S conduit à une augmentation de la vitesse de réaction ($V$) [4](#page=4). La disponibilité du coenzyme est également essentielle et dépend de son approvisionnement et de sa régénération efficace sous une forme utilisable par l'enzyme [4](#page=4). --- # Enzymes allostériques et leur mode d'action Ce chapitre explore la nature, la structure et le fonctionnement des enzymes allostériques, en mettant l'accent sur leur rôle régulateur grâce à la modulation de leur conformation par des effecteurs. ### 3.1 Définition et principes fondamentaux des enzymes allostériques L'allostérie décrit la modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, ce qui confère à la protéine des propriétés particulières, notamment un changement d'activité. Cette propriété est particulièrement pertinente pour les macromolécules de structure polymérique. Les enzymes allostériques constituent une classe d'enzymes essentielles à la régulation, fonctionnant par liaison non covalente et réversible de molécules régulatrices, appelées modulateurs ou effecteurs allostériques. Elles se distinguent par la présence de sites supplémentaires, appelés sites allostériques, en plus du site actif. Ces sites allostériques sont des régions uniques sur la molécule enzymatique, et une enzyme allostérique peut en posséder un ou plusieurs [1](#page=1) [2](#page=2). > **Tip:** Les enzymes allostériques sont cruciales pour la régulation des voies métaboliques. Elles catalysent généralement la première réaction limitante d'une voie, permettant ainsi à la cellule d'adapter son métabolisme à ses besoins changeants [2](#page=2). ### 3.2 Structure des enzymes allostériques Les enzymes allostériques sont typiquement des enzymes polymériques dont la structure quaternaire est composée de plusieurs chaînes d'acides aminés, formant des sous-unités appelées protomères. Ces protomères occupent des positions équivalentes et présentent une symétrie les uns par rapport aux autres. Chaque protomère possède deux sites fonctionnels principaux [1](#page=1): * **Site actif:** C'est le site où le substrat (S) se fixe pour être transformé en produit (P) [1](#page=1). * **Site régulateur:** C'est le site où un effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) se fixe de manière réversible [1](#page=1). La structure quaternaire, où chaque sous-unité possède son propre site actif, implique qu'une enzyme peut lier plusieurs molécules de substrat [9](#page=9). ### 3.3 Mode d'action des enzymes allostériques La fixation d'un effecteur allostérique sur le site régulateur induit une modification conformationnelle du site actif entraînant ainsi une altération de l'activité biologique de l'enzyme, positive ou négative [1](#page=1). #### 3.3.1 Changements conformationnels et états de l'enzyme Les enzymes allostériques peuvent exister sous différentes conformations, principalement deux états : * **État T (Tendu):** Caractérisé par une faible activité catalytique et une faible affinité pour le substrat [9](#page=9). * **État R (Relâché):** Caractérisé par une forte activité catalytique et une forte affinité pour le substrat [9](#page=9). L'enzyme entière peut permuter entre ces conformations T et R. La liaison du substrat au site actif ou de molécules régulatrices aux sites allostériques déclenche ces changements de forme [9](#page=9). #### 3.3.2 Cinétique des enzymes allostériques et coopérativité Contrairement aux enzymes michaeliennes, la cinétique des enzymes allostériques n'est pas simple. Elles présentent un tracé sigmoïdal lors de la représentation de la vitesse initiale ($v_i$) en fonction de la concentration du substrat ([S]). Cette forme sigmoïdale traduit le phénomène de **coopérativité** [10](#page=10). La coopérativité se produit lorsque la fixation d'une molécule de substrat sur une sous-unité d'une enzyme allostérique influence la fixation des substrats sur les autres sous-unités [10](#page=10). Le processus typique est le suivant [10](#page=10): 1. À faible concentration de substrat, l'enzyme est majoritairement dans sa conformation inactive (état T). 2. La liaison du premier substrat à une sous-unité déclenche un changement conformationnel, favorisant le passage à la forme active (état R). 3. Une fois le premier substrat lié, les substrats suivants se lient plus facilement aux autres sous-unités (coopérativité positive). 4. Ce changement conformationnel se traduit par une forte augmentation de l'affinité pour le substrat et, par conséquent, une augmentation rapide de la vitesse de réaction sur une plage étroite de concentrations de substrat. 5. Lorsque tous les sites actifs sont occupés, la vitesse de réaction atteint un plateau ($v_i = V_{max}$), indiquant que toutes les enzymes sont saturées. #### 3.3.3 Types de coopérativité * **Coopérativité positive:** La liaison d'un substrat à un site actif augmente l'affinité de l'enzyme pour les autres molécules de substrat. Le coefficient de Hill ($n$) est supérieur à 1 ($n > 1$) [11](#page=11). * **Coopérativité négative (anticoopérativité):** La liaison d'un substrat à un site actif diminue l'affinité de l'enzyme pour les autres molécules de substrat. Le coefficient de Hill ($n$) est inférieur à 1 ($0 < n < 1$) [11](#page=11). * **Coopérativité nulle:** La liaison du substrat n'affecte pas les autres sites. Ceci correspond à la cinétique Michaelienne ($n = 1$) [11](#page=11). Le **coefficient de Hill ($n$)**, également appelé indice de coopérativité, quantifie la force de la coopération du substrat avec l'enzyme [11](#page=11). La cinétique des enzymes allostériques, ne pouvant être décrite par la simple cinétique Michaelis-Menten en raison de l'évolution de l'affinité avec la concentration du substrat, est caractérisée par la concentration de substrat donnant un taux demi-maximal ([S]$_{0.5}$) et le coefficient de Hill ($n$) [11](#page=11). #### 3.3.4 Modèles allostériques Le comportement des enzymes allostériques est expliqué par deux modèles principaux : 1. **Le modèle symétrique (concerté) de Monod-Wyman-Changeux (MWC):** [11](#page=11). * Ce modèle postule que toutes les sous-unités changent de conformation simultanément (modèle concerté) [11](#page=11). * La symétrie de la protéine est conservée pendant le changement conformationnel [11](#page=11). * Le ligand (substrat ou modulateur) se fixe aux formes T ou R avec des affinités différentes [11](#page=11). * La fixation du ligand modifie l'équilibre entre les formes R et T [11](#page=11). 2. **Le modèle séquentiel de Koshland:** [11](#page=11) [12](#page=12). * Dans ce modèle, chaque sous-unité passe individuellement d'un état à l'autre, avec des affinités potentiellement différentes pour le substrat entre les sous-unités [12](#page=12). * Le changement d'état d'une sous-unité influence le changement des autres sous-unités, se produisant en cascade et de manière séquentielle [12](#page=12). * La conservation de la symétrie n'est pas toujours observée, permettant la coexistence de formes hybrides (T et R) [12](#page=12). Ces modèles permettent de comprendre comment la liaison d'un effecteur peut moduler l'activité enzymatique par des changements conformationnels coordonnés ou indépendants des sous-unités. --- # Mécanismes de régulation de l'activité enzymatique Ce thème aborde les différentes stratégies de contrôle de l'activité enzymatique, incluant l'inhibition par rétroaction, l'activation par protéolyse et la modification covalente réversible. ### 6.1 Contrôle de la quantité de l'enzyme Le contrôle de la quantité d'une enzyme peut être réalisé par sa dégradation. La dégradation intracellulaire des enzymes se fait dans les lysosomes, et une fois que le produit final d'une voie métabolique est synthétisé, les enzymes impliquées dans cette voie peuvent être dégradées pour arrêter la production [6](#page=6). ### 6.2 Contrôle de l'activité enzymatique #### 6.2.1 Rétroinhibition La rétroinhibition, également appelée rétroaction négative, est un mécanisme par lequel le produit final d'une voie de biosynthèse inhibe directement la première enzyme de cette voie. Il s'agit d'un moyen de contrôle très rapide. Cette interaction est non covalente et réversible [6](#page=6). L'inhibition peut se produire de deux manières principales : * **Inhibition compétitive:** Si l'inhibiteur a une structure similaire au substrat, il se lie au site actif de l'enzyme [6](#page=6). * **Inhibition allostérique:** Si l'inhibiteur n'a pas une structure similaire au substrat, il peut se lier à un site différent du site actif [6](#page=6). La rétroinhibition peut impliquer de multiples boucles, comme observé dans la voie de synthèse ramifiée [7](#page=7). #### 6.2.2 Activation par protéolyse Certaines enzymes sont sécrétées sous des formes inactives appelées proenzymes ou zymogènes. Un zymogène est inactif car il contient une chaîne polypeptidique supplémentaire qui masque le site actif de l'enzyme. L'activation du zymogène se produit par le retrait de cette chaîne polypeptidique [7](#page=7). Un exemple notable est la trypsine, une enzyme pancréatique, où l'extrémité N-terminale modifie la conformation de la protéine [7](#page=7). #### 6.2.3 Modification covalente réversible Ce mécanisme implique la modification de l'activité enzymatique par la formation réversible de liaisons covalentes avec un groupement chimique. Les modifications covalentes réversibles courantes incluent [7](#page=7): * Méthylation (ajout d'un groupe méthyle) [7](#page=7). * Adénylation (addition d'un groupe AMP) [7](#page=7). * Phosphorylation (addition d'un groupe phosphate) [7](#page=7). * Uridylation (addition d'un groupe uridine) [7](#page=7). * ADP-Ribosylation (addition d'un groupe ADP-Ribose) [7](#page=7). La localisation de ces modifications sur les résidus d'acides aminés est la suivante : * Méthylation: Aspartate, Glutamate [8](#page=8). * Adénylation: Tyrosine [8](#page=8). * Phosphorylation: Sérine, thréonine ou tyrosine [8](#page=8). * ADP-Ribosylation: Arginine [8](#page=8). ##### 6.2.3.1 Phosphorylation La phosphorylation est la modification la plus fréquemment utilisée pour réguler l'activité enzymatique. Elle se produit par l'addition d'un groupe phosphate à un groupe hydroxyle de sérine, thréonine ou tyrosine de l'enzyme. Ce processus est catalysé par une enzyme appelée protéine kinase. La déphosphorylation, l'élimination du groupe phosphate, est réalisée par une enzyme appelée phosphatase [8](#page=8). La forme phosphorylée peut être active pour certaines enzymes, tandis que la forme déphosphorylée est active pour d'autres [8](#page=8). #### 6.2.4 Interaction protéine-protéine De nombreuses enzymes sont composées de plusieurs sous-unités, incluant des sous-unités catalytiques et régulatrices. L'enzyme entière peut être inactive. La liaison d'une molécule comme l'AMP cyclique (AMPc) aux sous-unités régulatrices peut libérer les sous-unités catalytiques, les rendant pleinement actives [8](#page=8). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Enzyme | Protéine biologique agissant comme catalyseur pour accélérer les réactions chimiques dans les organismes vivants. | | Cinétique enzymatique | Étude de la vitesse des réactions catalysées par les enzymes et des facteurs qui influencent cette vitesse. | | Activateur chimique | Molécule qui se lie à une enzyme pour augmenter son activité catalytique, soit en améliorant l'affinité pour le substrat, soit en augmentant la vitesse maximale de réaction. | | Liaison faible | Interaction réversible entre molécules, caractérisée par une faible énergie de liaison, permettant des changements rapides. | | Liaison covalente | Liaison chimique forte formée par le partage d'électrons entre atomes, souvent irréversible dans le contexte enzymatique. | | Allostérie | Phénomène par lequel la fixation d'une molécule régulatrice (effecteur) sur un site de la protéine modifie la conformation de cette protéine, et par conséquent son activité. | | Conformation | Structure tridimensionnelle spécifique d'une protéine, déterminée par l'arrangement de ses atomes et essentielle à sa fonction. | | Protomère | Une des unités moléculaires identiques qui composent une protéine polymérique, en particulier dans sa structure quaternaire. | | Site actif | Région spécifique d'une enzyme où se lie le substrat et où la réaction catalytique a lieu. | | Site régulateur | Site sur une enzyme allostérique où se fixe un effecteur allostérique, modulant ainsi l'activité de l'enzyme. | | Effecteur allostérique | Molécule qui se lie à un site régulateur d'une enzyme allostérique, modifiant sa conformation et son activité catalytique. | | Modulateur allostérique | Synonyme d'effecteur allostérique, terme utilisé pour décrire les molécules qui régulent l'activité enzymatique par liaison à un site allostérique. | | Voie métabolique | Séquence de réactions biochimiques catalysées par une série d'enzymes, où le produit d'une réaction devient le substrat de la réaction suivante. | | Enzyme clé | Enzyme qui catalyse la première réaction d'une voie métabolique, souvent la réaction limitante, et qui est un point de régulation majeur. | | Réaction limitante | Étape la plus lente d'une voie métabolique qui détermine la vitesse globale de la voie. | | Induction enzymatique | Augmentation de la synthèse d'une enzyme en réponse à la présence d'un inducteur, souvent le substrat lui-même ou un produit de la voie. | | Répression enzymatique | Diminution de la synthèse d'une enzyme en réponse à la présence d'un répresseur, souvent un produit de la voie métabolique. | | Rétroinhibition (ou rétroaction négative) | Mécanisme de régulation où le produit final d'une voie métabolique inhibe l'activité de la première enzyme de cette voie. | | Zymogène (ou proenzyme) | Précurseur inactif d'une enzyme qui nécessite une modification post-traductionnelle, comme une coupure protéolytique, pour devenir actif. | | Protéolyse | Hydrolyse des protéines en peptides plus petits par rupture des liaisons peptidiques, souvent impliquée dans l'activation des zymogènes. | | Modification covalente réversible | Modification chimique d'une enzyme par la formation d'une liaison covalente avec un groupement, qui peut être retirée, modulant ainsi son activité. | | Phosphorylation | Ajout d'un groupe phosphate à une molécule, souvent une protéine, par l'action d'une kinase, et qui peut moduler l'activité enzymatique. | | Déphosphorylation | Retrait d'un groupe phosphate d'une molécule, souvent une protéine, par l'action d'une phosphatase, et qui peut rétablir ou modifier l'activité enzymatique. | | Modèle concerté (ou symétrique) | Modèle allostérique (Monod-Wyman-Changeux) selon lequel toutes les sous-unités d'une enzyme changent de conformation simultanément. | | Modèle séquentiel | Modèle allostérique (Koshland) selon lequel les sous-unités d'une enzyme peuvent changer de conformation individuellement et séquentiellement. | | Coopérativité | Phénomène où la liaison d'un ligand (comme un substrat) à une sous-unité d'une enzyme allostérique influence la liaison du ligand aux autres sous-unités. | | Cooperativité positive | La liaison d'un substrat à une sous-unité augmente l'affinité des autres sous-unités pour le substrat. | | Cooperativité négative (ou anticoopérativité) | La liaison d'un substrat à une sous-unité diminue l'affinité des autres sous-unités pour le substrat. | | Coefficient de Hill (n) | Paramètre utilisé pour quantifier la coopérativité dans la liaison des ligands aux enzymes allostériques. Un $n > 1$ indique une coopérativité positive, $n = 1$ une absence de coopérativité (cinétique Michaelis-Menten), et $0 < n < 1$ une coopérativité négative. |

# Définitions et propriétés des coenzymes Cette section aborde les caractéristiques fondamentales des coenzymes, leur nature, leur rôle par rapport aux enzymes, et leurs distinctions par rapport aux substrats, ainsi que leur classification selon le mode de liaison à l'apoenzyme. ### 1.1 Définition du coenzyme Un coenzyme est une molécule organique de nature non protéique, dont les groupements fonctionnels sont distincts des acides aminés constituant l'enzyme. Les coenzymes sont des cofacteurs indispensables aux enzymes hétérotéiques. Ils font partie de l'enzyme à un moment donné et participent à la réaction chimique en tant que site catalytique [4](#page=4). ### 1.2 Propriétés des coenzymes Les coenzymes possèdent plusieurs propriétés distinctives : * **Nature non protéique**: Contrairement aux enzymes, les coenzymes ne sont pas de nature protéique. Ils sont souvent thermostables et ont une faible masse moléculaire (PM) [5](#page=5). * **Régénération**: Contrairement aux substrats, les coenzymes retrouvent leur état initial à la fin de la réaction et ne sont donc pas consommés [5](#page=5). * **Rôle de transfert**: Les coenzymes transfèrent d'une molécule à une autre une entité X, telle qu'un électron, un atome ou un groupement d'atomes, en la prenant transitoirement en charge [5](#page=5). ### 1.3 Distinction par rapport aux substrats La distinction principale réside dans le fait que les coenzymes sont régénérés à la fin de la réaction, alors que les substrats sont consommés. Les coenzymes agissent comme des transporteurs de groupes fonctionnels ou d'électrons, tandis que les substrats sont les molécules sur lesquelles l'enzyme agit directement [5](#page=5). ### 1.4 Classification selon la liaison à l'apoenzyme Les coenzymes peuvent être classifiés en fonction de leur mode de liaison à l'apoenzyme (la partie protéique de l'enzyme) [5](#page=5): * **Cosubstrats (CoS)**: Les cosubstrats peuvent rester libres à proximité de la protéine enzymatique. Leur liaison à l'apoenzyme est généralement faible. Ils participent à la réaction et sont ensuite libérés, souvent sous une forme modifiée, pour être régénérés lors d'une autre réaction [5](#page=5). * **Groupements prosthétiques (GP)**: Les groupements prosthétiques sont solidement attachés à l'enzyme, souvent par une liaison covalente. Ils sont considérés comme faisant partie intégrante de l'enzyme et ne sont pas libérés facilement [5](#page=5). > **Tip:** Comprendre la différence entre cosubstrats et groupements prosthétiques est essentiel pour saisir comment les coenzymes s'intègrent dans le cycle catalytique d'une enzyme. > **Example:** L'ion NAD$^+$ est un exemple typique de cosubstrat dans les réactions d'oxydoréduction, tandis que le groupement hème dans la catalase agit comme un groupement prosthétique. --- # Classification et origines des coenzymes Cette section explore les différentes classifications des coenzymes, principalement basées sur la nature des groupements qu'ils transfèrent, ainsi que leurs origines, souvent liées aux vitamines. ### 2.1 Origines des coenzymes La majorité des coenzymes possèdent un caractère essentiel, signifiant qu'ils ne peuvent être synthétisés par la cellule et doivent donc être apportés par l'alimentation. Ces coenzymes sont souvent dérivés de vitamines. Cependant, il existe des exceptions: certains coenzymes n'ont pas de caractère vitaminique, comme le coenzyme lipoïque. Inversement, certaines vitamines, telles que les vitamines liposolubles A et D, n'exercent pas d'activité coenzymatique [6](#page=6). ### 2.2 Classification des coenzymes Les coenzymes peuvent être classifiés selon la nature des composés qu'ils transfèrent. Cette classification distingue principalement deux grandes catégories [7](#page=7): #### 2.2.1 Coenzymes d’oxydoréduction Ces coenzymes sont impliqués dans le transfert d'équivalents réducteurs, qui peuvent être des électrons, des atomes d'hydrogène, ou des ions hydrure [7](#page=7). #### 2.2.2 Coenzymes de transfert de groupement Cette catégorie regroupe les coenzymes qui catalysent le transfert de groupements fonctionnels, qu'ils soient carbonés ou non. Cette sous-catégorie peut être davantage subdivisée [7](#page=7): * **Transfert de phosphates** : Impliquant des nucléotides. * **Transfert d'éléments carbonés**. * **Transfert d'éléments aminés**. * **Transfert d'autres groupements**. --- # Coenzymes d'oxydoréduction Ce thème se concentre sur les coenzymes impliqués dans les réactions d'oxydoréduction, tels que les coenzymes pyridiniques (NAD, NADP) et flaviniques (FMN, FAD), en expliquant leurs structures, fonctions, origines vitaminiques et mécanismes [8](#page=8). ### 5.1 Définition et fonction des coenzymes d’oxydoréduction Les coenzymes d'oxydoréduction sont des cofacteurs essentiels des enzymes appelées oxydoréductases. Leur rôle principal est de transporter des équivalents réducteurs, qui peuvent être des électrons, des atomes d'hydrogène, ou des ions hydrure. Ces coenzymes peuvent être classés en quatre groupes selon la nature de l'accepteur d'électrons ou d'hydrogène: les oxydases, les déshydrogénases, les hydroperoxydases et les oxygénases [8](#page=8). ### 5.2 Les coenzymes pyridiniques : NAD et NADP Les coenzymes pyridiniques, à savoir le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD) et le Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate (NADP), sont des dérivés de la vitamine B3 (niacine). Ils fonctionnent comme des cosubstrats dans les réactions d'oxydoréduction [10](#page=10) [9](#page=9). #### 5.2.1 Structure Le NAD et le NADP sont des dinucléotides, c'est-à-dire qu'ils sont constitués de deux nucléotides reliés par une liaison pyrophosphate. Chaque nucléotide comprend une base, un sucre et un groupement phosphoryle. Les bases présentes sont la nicotinamide et l'adénine, tandis que le sucre est le $\beta$-D-ribose. La principale différence structurelle entre le NAD et le NADP réside dans la présence d'un groupement phosphoryle supplémentaire sur le carbone 2' du ribose de l'adénosine monophosphate dans le NADP. La partie active de ces coenzymes est le cycle pyridine [9](#page=9). #### 5.2.2 Mécanisme de fonctionnement Lors d'une réaction d'oxydoréduction, le substrat réducteur (AH2) cède deux atomes: deux protons (H+) et deux électrons (2e-). Le coenzyme pyridine (NAD+ ou NADP+) fixe un ion hydrure (H-) et un proton (H+). Plus précisément, un électron est fixé sur le carbone 4 (C4) du cycle pyridine et un autre électron est fixé sur l'atome d'azote 1 (N1), tandis que le deuxième proton reste en solution. La forme réduite est alors NADH + H+ pour le NAD, et NADPH + H+ pour le NADP. La ré-oxydation du NADH, H+ par une autre déshydrogénase permet de céder son ion hydrure au substrat B, le réduisant en BH2, tandis que le proton libéré se retrouve également en solution [10](#page=10) [9](#page=9). > **Tip:** Le NAD et le NADP agissent comme des navettes d'équivalents réducteurs, permettant le transfert d'énergie et de matière au sein des cellules. #### 5.2.3 Rôles métaboliques * **NAD:** Il intervient principalement comme oxydant dans les réactions d'oxydation du catabolisme, par exemple lors de la glycolyse. Dans sa forme réduite (NADH), il peut également agir comme réducteur en cédant ses équivalents réducteurs à la chaîne respiratoire [11](#page=11). * **NADP:** Sa forme réduite (NADPH) agit comme réducteur dans les réactions de réduction de l'anabolisme [11](#page=11). #### 5.2.4 Propriétés spectrales Le NAD et le NADH présentent des propriétés spectrales distinctes qui permettent leur quantification. La forme réduite, NADH, possède un pic d'absorption supplémentaire à 340 nm, ce qui est particulièrement utile pour mesurer la vitesse des réactions enzymatiques impliquant ces coenzymes [11](#page=11). ### 5.3 Les coenzymes flaviniques : FMN et FAD Les coenzymes flaviniques comprennent le Flavine Mono-Nucléotide (FMN) et le Flavine Adénine Dinucléotide (FAD). Ils dérivent de la Riboflavine, également connue sous le nom de vitamine B2 [12](#page=12) [13](#page=13). #### 5.3.1 Structure Ces coenzymes sont des mononucléotides irréguliers composés d'une base de flavine et d'un pentose, le ribitol. La flavine est caractérisée par un noyau isoalloxazine riche en doubles liaisons conjuguées, ce qui confère à la molécule sa couleur jaune. Le FMN est un mononucléotide de flavine, tandis que le FAD est un dinucléotide formé de l'adénosine monophosphate (AMP) et du FMN [12](#page=12). #### 5.3.2 Partie active La partie active des FMN et du FAD est constituée par les deux atomes d'azote (N1 et N10) du noyau isoalloxazine, séparés par deux doubles liaisons conjuguées. Ces groupements sont des groupements prosthétiques pour les oxydoréductases appelées flavoprotéines. Ils ont la capacité de fixer réversiblement deux atomes d'hydrogène [13](#page=13). #### 5.3.3 Mécanisme de fonctionnement Le fonctionnement des coenzymes flaviniques implique la fixation de deux atomes d'hydrogène du substrat réducteur (AH2) sur les atomes N1 et N10 du noyau isoalloxazine. Ces atomes d'hydrogène sont ensuite transférés à un autre substrat (B), le réduisant en BH2 [14](#page=14). #### 5.3.4 Rôles métaboliques * **FAD:** Il est un groupement prosthétique de nombreuses déshydrogénases, particulièrement celles impliquées dans la création de doubles liaisons entre deux atomes de carbone, comme dans la $\beta$-oxydation des acides gras et le cycle de l'acide citrique [14](#page=14). * **FMN:** Il intervient spécifiquement dans la chaîne respiratoire, notamment au niveau du Complexe I [14](#page=14). ### 5.4 Le coenzyme lipoïque Le coenzyme lipoïque, également appelé acide lipoïque ou lipoate, est un acide gras à huit atomes de carbone portant un pont disulfure entre les carbones 6 et 8 [15](#page=15). #### 5.4.1 Partie active La partie active de ce coenzyme est le pont disulfure [15](#page=15). #### 5.4.2 Fonctionnement et réactions Le coenzyme lipoïque est impliqué dans la réaction de décarboxylation oxydative des acides $\alpha$-cétoniques, généralement au sein de complexes multienzymatiques [15](#page=15). ### 5.5 Les coenzymes héminiques Les coenzymes héminiques résultent de la combinaison d'un atome de fer avec une porphyrine, qui est un dérivé du noyau tétrapyrrolique [16](#page=16). #### 5.5.1 Structure et rôle Ils agissent comme des groupements prosthétiques pour les enzymes d'oxydoréduction. La partie active est l'ion fer (Fe3+) qui peut fixer réversiblement un électron. L'ion fer possède six valences de coordination: quatre sont utilisées pour former des liaisons avec les atomes d'azote du noyau porphyrine, et les deux autres sont disponibles pour lier l'aprotéine, souvent via des résidus d'histidine [16](#page=16). #### 5.5.2 Fonctionnement et réactions Les coenzymes héminiques jouent un rôle crucial dans : * Le transport d'électrons au sein de la chaîne respiratoire, comme les cytochromes (par exemple, Cyt b passant de Fe3+ à Fe2+ en fixant un électron) [16](#page=16). * Certaines réactions enzymatiques, telles que celles catalysées par le Cyt P450, impliquées dans l'hydroxylation du cholestérol et des stéroïdes [16](#page=16). * Les enzymes comme la catalase et la peroxydase [16](#page=16). --- # Coenzymes de transfert de groupement d'atome Cette section explore les coenzymes impliqués dans le transfert de divers groupements d'atomes, tels que le CO2, les groupements monocarbonés et les groupements acyle [18](#page=18). ### 6.1 Types de groupements transférés Les coenzymes de transfert de groupement d'atomes peuvent être classés selon le type d'élément transféré [17](#page=17): * Transfert de phosphate ou de nucléotides [17](#page=17). * Transfert d'éléments carbonés [17](#page=17). * Transfert d'éléments aminés [17](#page=17). ### 6.2 Coenzymes spécifiques de transfert de groupement d'atome Les coenzymes abordés dans ce chapitre incluent : * La biotine (transfert de CO2) [18](#page=18). * L'acide tétrahydrofolique (THF) et les coenzymes B12 ou cobalamines (transfert de groupements monocarbonés autres que CO2) [18](#page=18). * Le coenzyme A (CoA) et le pyrophosphate de thiamine (TPP) (transfert de groupements pluricarbonés) [18](#page=18). * Le phosphate de pyridoxal (PP) pour d'autres transferts [18](#page=18). #### 6.2.1 La biotine * **Structure:** La biotine est composée d'un noyau imidazole, d'un noyau thiophène et d'un acide pentatonique avec un groupement carboxyle terminal [18](#page=18). * **Origine vitaminique:** La biotine est également connue sous le nom de vitamine H ou B8 et est synthétisée par les bactéries intestinales et les végétaux [18](#page=18). * **Partie active:** La partie active est l'azote en position N1' du noyau imidazole, qui fixe réversiblement une molécule de CO2 [18](#page=18). * **Fonctionnement:** La biotine est le groupement prosthétique (GP) des carboxylases, comme la pyruvate carboxylase, l'acétyl-CoA carboxylase et la propionyl-CoA carboxylase. En présence d'ATP, un groupement carboxyle est fixé sur le N-1 de la biotine, formant une N-carboxybiotine, qui agit comme un "CO2 actif". Ce groupement carboxyle est ensuite transféré au substrat lors de la réaction de carboxylation [18](#page=18) [19](#page=19). #### 6.2.2 L'acide tétrahydrofolique (THF) * **Structure:** Le THF est un dérivé tétrahydrogéné du noyau ptéridine de l'acide folique [19](#page=19). * **Origine vitaminique:** Il dérive de la vitamine B9, l'acide folique [19](#page=19). * **Partie active:** La partie active est constituée des atomes d'azote N5 et N10. Ces positions fixent réversiblement des groupements monocarbonés (différents du CO2) à divers degrés d'oxydation (-CH3, -CH2-, -CHO, -CH=NH, -CH=) et permettent leur interconversion [20](#page=20). * **Mécanisme de fonctionnement:** Les groupements monocarbonés sont liés au THF par N5, N10, ou par les deux [20](#page=20). * **Réactions:** Le THF est un donneur de groupements monocarbonés dans de nombreuses réactions de synthèse, notamment la trans-méthylation de l'homocystéine en méthionine, la conversion de la sérine en glycine, et le métabolisme de l'histidine [20](#page=20). #### 6.2.3 La cobalamine (Coenzyme B12) * **Structure:** La cobalamine possède une structure complexe comprenant un cycle corrine (quatre noyaux pyrroliques unis par trois ponts carbonés, centré sur un ion cobalt) et un pseudo-nucléotide (base 5,6-diméthylbenzimidazole, groupement phosphate en C-3' lié à une chaîne latérale en C7 de l'anneau tétrapyrrolique) [21](#page=21). * **Origine vitaminique:** La vitamine B12 est synthétisée par les bactéries intestinales [22](#page=22). * **Fonctionnement:** La partie active est l'ion cobalt [22](#page=22). * **Réactions :** Il existe deux coenzymes B12 actifs : * **5'-désoxyadénosylcobalamine (mitochondriale):** Coenzyme de la réaction d'isomérisation du méthylmalonyl-CoA en succinyl-CoA (métabolisme des lipides) [22](#page=22). * **Méthylcobalamine (cytoplasmique):** Coenzyme de transfert de groupements méthyle, notamment de l'homocystéine en méthionine et du méthyl-THF en THF [22](#page=22). #### 6.2.4 Le Coenzyme A (CoA) * **Structure:** Le CoA est formé par l'union d'un nucléotide (3'-phospho-AMP) et de la phosphopantéthéine, elle-même constituée d'un groupement phosphoryle, de l'acide pantothénique (acide pantoïque et β-alanine) et de la cystéamine, unis par des liaisons amide [22](#page=22). * **Partie active:** Le groupement SH de la cystéamine est la partie active, d'où l'abréviation CoA-SH [23](#page=23). * **Origine vitaminique:** L'acide pantothénique est la vitamine B5 [23](#page=23). * **Fonctionnement:** Le CoA transporte et active les groupements acyle (R-CO-) et acétyle. La fixation du groupement carbonyle de l'acyle sur le groupement SH crée une liaison thioester à haut potentiel de transfert d'acyle [23](#page=23). * **Réactions :** * **Production d'acyl-CoA:** Formation d'acétyl-CoA (par β-oxydation et décarboxylation oxydative du pyruvate) et activation des acides gras en présence d'ATP [24](#page=24). * **Utilisation d'acyl-CoA:** Cycle de Krebs dans la mitochondrie, et synthèse des acides gras en présence d'ATP [24](#page=24). #### 6.2.5 Le pyrophosphate de thiamine (TPP) * **Structure:** Le TPP est composé d'une pyrimidine substituée reliée par un pont méthylène à un thiazole substitué portant une chaîne éthanolique estérifiée par un groupement pyrophosphoryle [24](#page=24). * **Partie active:** Le carbone en position C-2 du noyau thiazole est la partie active [24](#page=24). * **Origine vitaminique:** La thiamine est la vitamine B1 [24](#page=24). * **Fonctionnement:** Le TPP est un coenzyme de décarboxylation, agissant sur les acides α-cétoniques [24](#page=24). * **Réactions :** Le TPP est le coenzyme des réactions suivantes : * Décarboxylation oxydative des acides α-cétoniques (ex: pyruvate déshydrogénase) [25](#page=25). * Décarboxylation non oxydative des acides α-cétoniques [25](#page=25). * Transcétolisation: transfert des groupements 2-cétols (-CO-CH2OH) d'un cétose à un aldose [25](#page=25). > **Tip:** Le mécanisme de fonctionnement du TPP implique généralement quatre étapes: condensation, décarboxylation, protonation, et formation d'un intermédiaire réactif [26](#page=26). #### 6.2.6 Le phosphate de pyridoxal (PP) * **Structure:** Le PP est constitué d'une base (adénine), d'un sucre (β-D-ribose) et de un, deux ou trois groupes phosphoryles (AMP, ADP, ATP) [28](#page=28). * **Origine:** Il dérive de la vitamine B6 [26](#page=26). * **Vitamine précurseur:** Il n'y a pas de vitamine précurseur directe mentionnée pour le PP lui-même, mais il est un dérivé de la vitamine B6 [28](#page=28). * **Fonctionnement:** La partie active est l'atome de carbone aldéhydique porté par le carbone en position C4. Le PP est un coenzyme de transport des groupements aminés et est central dans le métabolisme des acides aminés. Il forme une base de Schiff avec le groupement aminé d'un acide aminé, permettant la libération d'une amine par décarboxylation ou d'un acide α-cétonique par transamination [27](#page=27). * **Réactions :** Le PP est un coenzyme multifonctionnel dans le métabolisme des acides aminés, impliqué dans : * Réactions de décarboxylation catalysées par des décarboxylases [27](#page=27). * Réactions de transamination catalysées par des transaminases [27](#page=27). * Réactions de désamination non oxydative catalysées par des déshydratases [27](#page=27). * Transfert de phosphate, pyrophosphate, et d'adénosine monophosphate [28](#page=28). * Réactions d'activation et de transfert de biomolécules telles que les oses (UDP-oses et/ou GDP-oses), les acides aminés (aminoacyl-AMP), et les lipides (acyl-AMP) [28](#page=28). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Coenzyme | Molécule organique de nature non protéique, de faible poids moléculaire, qui est indispensable à l'activité de certaines enzymes hétérotéiques et participe à la réaction catalytique en transférant un groupement d'atomes ou d'électrons. | | Apoenzyme | Partie protéique d'une enzyme qui, seule, est inactive. Elle nécessite la présence d'un cofacteur (coenzyme ou ion métallique) pour devenir catalytiquement active. | | Cosubstrat | Type de coenzyme qui reste libre à proximité de la protéine enzymatique et se lie à elle par une liaison faible lors de la réaction catalytique. Il est consommé et régénéré au cours du cycle réactionnel. | | Groupement prosthétique | Type de coenzyme qui est solidement attaché à l'enzyme, souvent par une liaison covalente. Il fait partie intégrante de la structure de l'enzyme active. | | Équivalents réducteurs | Entités moléculaires, telles que des électrons ou des atomes d'hydrogène (ions hydrures), qui sont transférées lors des réactions d'oxydoréduction et qui portent l'énergie nécessaire à la réduction d'un autre substrat. | | NAD (Nicotinamide Adénine Dinucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B3, qui transporte deux électrons et un proton sous forme d'ion hydrure (H⁻). Sa forme oxydée est NAD⁺ et sa forme réduite est NADH + H⁺. Il est principalement utilisé dans les réactions cataboliques. | | NADP (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate) | Coenzyme d'oxydoréduction similaire au NAD, mais avec un groupement phosphate supplémentaire sur le C-2’ du ribose de l'AMP. Il fonctionne comme réducteur dans les réactions anaboliques. | | NADH + H⁺ | Forme réduite du NAD, résultant de la fixation d'un ion hydrure (H⁻) et d'un proton (H⁺) sur la molécule de NAD⁺. Il cède ses équivalents réducteurs à la chaîne respiratoire ou à d'autres substrats. | | FMN (Flavine Mono-Nucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B2 (riboflavine), qui fait partie intégrante des flavoprotéines. Il fixe réversiblement deux atomes d'hydrogène et intervient notamment dans la chaîne respiratoire. | | FAD (Flavine Adénine Dinucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B2 (riboflavine), formé de l'adénosine monophosphate (AMP) et du FMN. Il est le groupement prosthétique de nombreuses déshydrogénases, notamment celles impliquées dans la β-oxydation des acides gras et le cycle de l'acide citrique. | | Acide lipoïque | Coenzyme non vitaminique qui possède un pont disulfure comme partie active. Il participe aux réactions de décarboxylation oxydative des acides α-cétoniques, agissant comme intermédiaire de transfert de groupes acyle. | | Coenzymes héminiques | Coenzymes résultant de l'union d'un atome de fer et d'une porphyrine. Leur partie active est le fer (Fe³⁺ ou Fe²⁺) qui fixe réversiblement un électron. Ils sont essentiels pour les cytochromes de la chaîne respiratoire et des enzymes comme la catalase. | | Biotine | Coenzyme (vitamine H ou B8) dont la partie active est le N1’ du noyau imidazole. Elle est le groupement prosthétique des carboxylases et fixe réversiblement une molécule de CO₂, agissant comme un « CO₂ actif » pour la carboxylation des substrats. | | Acide tétrahydrofolique (THF) | Coenzyme dérivé de la vitamine B9 (acide folique). Sa partie active comprend les atomes d'azote N5 et N10, qui fixent réversiblement des groupements monocarbonés (-CH₃, -CH₂-, -CHO, etc.) et les transfèrent lors de nombreuses réactions de synthèse. | | Cobalamine (Coenzyme B12) | Coenzyme complexe contenant un ion cobalt au centre d'un cycle corrine. Il existe sous deux formes principales : la 5’-désoxyadénosylcobalamine (isomérisation) et la méthylcobalamine (transfert de méthyle). Il est essentiel pour le métabolisme des lipides et le transfert de groupes méthyle. | | Coenzyme A (CoA) | Coenzyme d'acylation dont la partie active est le groupement SH de la cystéamine. Il transporte et active les groupements acyle (R-CO-) et acétyle, formant des liaisons thioester à haut potentiel de transfert. Il est crucial dans le cycle de Krebs et la synthèse des acides gras. | | Thiamine pyrophosphate (TPP) | Coenzyme dérivé de la vitamine B1 (thiamine). Sa partie active est le C-2 du noyau thiazole. Il est le coenzyme de décarboxylation des acides α-cétoniques (comme le pyruvate) et des réactions de transcétolisation. | | Phosphate de pyridoxal (PP) | Coenzyme dérivé de la vitamine B6. Sa partie active est l'atome de carbone aldéhydique. Il est le coenzyme principal du métabolisme des acides aminés, intervenant dans les réactions de décarboxylation, de transamination et de désamination. |

# Cholesterolsynthese De aanmaak van cholesterol in het lichaam is een complex proces dat in verschillende fasen verloopt, waarbij de regulering cruciaal is, met HMG-CoA reductase als belangrijkste controlepunt [6](#page=6). ### 1.1 Functies en structuur van cholesterol Cholesterol is een sterol met een karakteristieke cholestaan structuur, bestaande uit vier ringen: drie zesledige ringen (A, B, C) en een vijfledige ring (D). De aanwezigheid van een hydroxylgroep (OH) kenmerkt een "sterol". Cholesterol speelt diverse vitale functies in het lichaam (#page=3, 4). Het menselijk lichaam heeft dagelijks ongeveer 1 gram cholesterol nodig, waarvan ongeveer 500 mg per dag wordt aangemaakt en 1000 mg per dag wordt aangevoerd. De menselijke cel is niet in staat om de steroïde keten van cholesterol af te breken [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5). ### 1.2 Algemene principes van cholesterolsynthese De cholesterolsynthese kan worden onderverdeeld in drie hoofd fasen. De synthon van cholesterol is isopentenylpyrofosfaat (IPPP) (#page=6, 9). De algemene principes van dit proces, de bronnen van de substraten, en de energiebronnen zijn belangrijk om te kennen (#page=6, 7, 9). De biosynthese van cholesterol vindt integraal plaats in het cytoplasma, hoewel sommige betrokken enzymen gebonden zijn aan het endoplasmatisch reticulum (ER). De energie voor de aanmaak van één molecuul cholesterol wordt geleverd door 18 moleculen acetyl-CoA, 36 moleculen ATP en 16 moleculen NADPH [6](#page=6) [7](#page=7) [9](#page=9). ### 1.3 De eerste fasen van de synthese en de rol van HMG-CoA reductase De eerste twee stappen van de cholesterolsynthese, die plaatsvinden in het cytoplasma, resulteren in de vorming van 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) uit drie moleculen acetyl-CoA. Deze stap gebruikt dezelfde enzymen als de ketogenese, die echter in de mitochondriën plaatsvindt. Het enzym HMG-CoA reductase speelt een sleutelrol, aangezien het de snelheidsbepalende stap (rate limiting step) van de cholesterolsynthese katalyseert. Dit enzym is sterk gereguleerd en ingebed in het ER-membraan. Het is essentieel om de naam en functie van HMG-CoA reductase te kennen [8](#page=8). ### 1.4 Polymerisatie en cyclisatie tot squaleen De volgende fase omvat het polymeriseren en cyclisch omvormen van structuren die vertrekken van IPPP en zijn isomeer, dimethylallylpyrofosfaat, tot squaleen. Dit proces van polymerisatie en cyclisatie komt frequent voor in de natuur en heeft vele medische en biologische toepassingen. De metabolieten die ontstaan uit de tussenstappen tot squaleen worden isoprenoïden (terpenen) genoemd [10](#page=10) [9](#page=9). ### 1.5 Verdere metabole producten van isoprenoïden Isoprenoïden worden verder gemetaboliseerd tot diverse belangrijke moleculen en functies, waaronder: * Ankerelementen [10](#page=10). * Farnesylarm van eiwitten zoals RAS (een oncogeen) [10](#page=10). * Dolicholfosfaat, dat fungeert als tijdelijke verankering voor oligosachariden [10](#page=10). * Oxidoreductasen, zoals co-enzym Q en vitamine E [10](#page=10). * Moleculen betrokken bij signaaltransductie [10](#page=10). * Carotenoïden, zoals retinal [10](#page=10). * Feromonen [10](#page=10). * Geurende terpenen, zoals limoneen, zingibereen en het terpeen alcohol menthol [10](#page=10). Het is belangrijk om de algemene principes van dit proces te kennen, evenals de vetgedrukte namen en functies van de genoemde isoprenoïde-afgeleide producten. De namen van de enzymen en tussenproducten in deze fasen zijn niet vereist [10](#page=10). --- # Regeling van de cholesterolsynthese en intracellulaire cholesterolbalans Dit onderdeel focust op de mechanismen die de hoeveelheid cholesterol in cellen reguleren, inclusief de aanmaak, afbraak, opname en excretie, met specifieke aandacht voor SREBP, LXR en LDL-receptoren. ### 2.1 Mechanismen voor de regulatie van de intracellulaire cholesterolconcentratie De intracellulaire cholesterolconcentratie wordt gereguleerd door een complex samenspel van processen die zowel de aanmaak als de afbraak en opname beïnvloeden [13](#page=13). #### 2.1.1 Verhogen van de intracellulaire cholesterolconcentratie De concentratie cholesterol in de cel kan toenemen door de volgende mechanismen: * **De novo synthese**: Dit is de aanmaak van cholesterol vanuit eenvoudigere moleculen [13](#page=13). * **Hydrolyse van intracellulaire cholesterylesters**: Cholesterylesters die zijn opgeslagen in de cel kunnen worden afgebroken tot vrij cholesterol [13](#page=13). * **Opname van cholesterol via het dieet**: Cholesterol dat met de voeding wordt ingenomen, kan door de cel worden opgenomen [13](#page=13). * **Opname van cholesterol uit de bloedbaan via de LDL-receptor**: LDL-deeltjes, die cholesterol transporteren, worden door cellen opgenomen via specifieke LDL-receptoren [13](#page=13). #### 2.1.2 Verlagen van de intracellulaire cholesterolconcentratie Omgekeerd kan de cholesterolconcentratie in de cel dalen door: * **Inhibitie van de de novo cholesterol synthese**: Het remmen van de aanmaak van cholesterol [13](#page=13). * **Downregulatie van de LDL-receptor**: Het verminderen van het aantal LDL-receptoren aan het celoppervlak, waardoor minder cholesterol uit de bloedbaan kan worden opgenomen [13](#page=13). * **Vorming van cholesterylesters**: Vrij cholesterol kan worden veresterd en opgeslagen door het enzym acyl-coenzyme A:cholesterol acyl transferase (ACAT) [13](#page=13). * **Opname van cholesterol vanuit de cel naar een HDL-lipoproteïne**: Cholesterol kan vanuit de cel worden getransporteerd naar HDL-deeltjes voor transport uit de cel [13](#page=13). * **Omvorming tot galzouten of steroïde hormonen**: Cholesterol kan worden omgezet in andere functionele moleculen [13](#page=13). * **Medicament-geïnduceerde inhibitie van HMG-CoA reductase**: Medicijnen kunnen het enzym HMG-CoA reductase remmen, wat leidt tot een daling van de HMG-CoA concentratie en daarmee de cholesterolsynthese [13](#page=13). * **Hoge concentratie van cholesterol ter hoogte van het membraan**: Een hoge beschikbaarheid van cholesterol kan feedbackmechanismen activeren die de synthese remmen [13](#page=13). ### 2.2 Sterol regulatory element-binding proteins (SREBP) SREBP's zijn transcriptiefactoren die een centrale rol spelen in de regulatie van de cholesterolsynthese en het metabolisme van lipiden. Ze werken nauw samen met SREBP cleavage-activating protein (SCAP) en insulin-induced gene (INSIG) [12](#page=12) [14](#page=14). #### 2.2.1 Regulatie van genexpressie door SREBP De activiteit van SREBP's reguleert de genexpressie van enzymen die betrokken zijn bij de cholesterolsynthese. Wanneer de intracellulaire cholesterolconcentratie laag is, wordt SREBP geactiveerd, transporteert het naar de celkern en bindt het aan specifieke DNA-sequenties (sterol regulatory elements) om de synthese van genen die betrokken zijn bij cholesterolsynthese te induceren [14](#page=14). #### 2.2.2 Hormonale regulatie van HMG-CoA reductase via SREBP en fosforylatie Hormonen kunnen de activiteit van HMG-CoA reductase, een sleutelenzym in de cholesterolsynthese, reguleren via SREBP en fosforylatieprocessen [15](#page=15). ### 2.3 Lever X receptoren (LXR) LXR's zijn nucleaire receptoren die betrokken zijn bij de regulatie van de cholesterolhuishouding in de cel. Ze spelen een rol in de balans tussen opname, synthese en excretie van cholesterol [12](#page=12) [45](#page=45). ### 2.4 Andere belangrijke regulatiemechanismen en moleculen De regulatie van de intracellulaire cholesterolbalans is een integraal proces dat ook de volgende componenten omvat: * **ACAT (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase)**: Dit enzym verestert cholesterol en speelt een rol bij de opslag van cholesterol als cholesterylesters [13](#page=13) [45](#page=45). * **ABCA1 (ATP-binding cassette transporter)**: Een transporter die betrokken is bij het efflux van cholesterol uit de cel naar HDL-partikels [45](#page=45). * **SR-B1 (Scavenger receptor class B type 1)**: Een receptor die selectief cholesterol kan opnemen uit HDL [45](#page=45). * **ABCG1 (ATP-binding cassette sub-family G member 1)**: Een transporter die de efflux van cholesterol naar HDL en andere lipoproteïnen faciliteert [45](#page=45). * **LCAT (Lecithine-cholesterol-acyltransferase)**: Een enzym dat een rol speelt bij de verestering van cholesterol in HDL-partikels [45](#page=45). > **Tip:** Begrijp de centrale rol van SREBP als "cholesterol sensor" van de cel; het reageert op lage cholesterolniveaus door de expressie van synthese-enzymen te verhogen en op hoge cholesterolniveaus door de synthese te remmen. > **Tip:** Onthoud dat de regulatie van cholesterolsynthese niet alleen gaat over het maken van cholesterol, maar ook over hoe het uit de cel gaat (excretie) en hoe het uit de omgeving wordt opgenomen (dieet en LDL-opname). > **Tip:** Maak gebruik van de figuren in het document (bv. de figuur op pagina 12 met de genoemde enzymen) om de onderlinge verbanden tussen de verschillende regulatiemechanismen visueel te maken. --- # Cholesterolafbraak en metabolieten Dit onderdeel behandelt de omzetting van cholesterol tot galzouten en de vorming van steroïde hormonen uit cholesterol als precursor. ### 2.1 Galzouten De afbraak van cholesterol vindt plaats in de lever, waar het wordt omgezet in galzouten. De primaire galzouten zijn cholzuur en chenodeoxycholzuur. Deze worden geconjugeerd met glycine of taurine voor excretie in de gal. De verschillen tussen deze galzouten liggen in de plaatsing en het aantal hydroxyl ($\text{OH}$) groepen [16](#page=16) [17](#page=17). Secundaire galzouten worden gevormd wanneer bacteriën in de darm aanwezig zijn. De termen 'galzuren' en 'galzouten' worden door elkaar gebruikt. De omzetting van cholesterol naar galzouten wordt gekatalyseerd door het enzym 7$\alpha$-hydroxylase (CYP7A1). Dit proces omvat het afsplitsen van een koolstofatoom. Het is belangrijk om de algemene principes van de opbouw van galzouten te kennen, evenals de namen van de galzouten, en de structuurformules te kunnen herkennen [17](#page=17). > **Tip:** De detergentfunctie van galzouten is te danken aan hun structuur die zowel een polair als een apolair oppervlak bevat [18](#page=18). #### 2.1.1 Enterohepatische cyclus De enterohepatische cyclus beschrijft de reabsorptie van galzouten. Deze reabsorptie vindt actief plaats in het ileum en passief in het colon en jejunum. Ongeveer 95% van de galzouten wordt gereabsorbeerd. De flux van galzouten bedraagt 20-30 gram per dag, met een definitieve uitscheiding van slechts 0,5-0,8 gram per dag [18](#page=18). De ABCG5 en ABCG8 transporters spelen een rol bij de galzouttransporten in de lever en het maagdarmkanaal. ABCG staat voor ATP binding cassette type G [18](#page=18). #### 2.1.2 Klinische implicaties van galzouten Een verstoring in de balans van cholesterol en galzouten kan leiden tot de vorming van galstenen [19](#page=19). ### 2.2 Cholesterolmetabolieten: Steroïde hormonen Cholesterol dient als een cruciale precursor voor de synthese van steroïde hormonen [20](#page=20) [22](#page=22). #### 2.2.1 Synthese van steroïde hormonen De synthese van steroïde hormonen vindt voornamelijk plaats in de bijnieren en de gonadale organen (ovaria en testes). Tijdens de zwangerschap wordt dit ook door de placenta gedaan. De omzetting van cholesterol naar steroïde hormonen vereist specifieke cytochroom P450 iso-enzymen voor de oxidatie van cholesterol. De resulterende steroïde hormonen bevatten 21 of minder koolstofatomen [21](#page=21). Het "side chain cleavage enzyme", ook bekend als cholesteroldesmolase of CYP11A1, is essentieel voor de eerste stap in de omzetting van cholesterol naar steroïde hormonen en fungeert als de snelheidsbepalende stap (rate-limiting step). Het is belangrijk om de tussen- en eindproducten van deze omzetting te kennen, evenals de grote klassen van steroïde hormonen [22](#page=22). > **Voorbeeld:** De grote klassen van steroïde hormonen zijn mineralocorticoïden, glucocorticoïden en (andere) geslachtshormonen [22](#page=22). #### 2.2.2 Adrenogenitaal syndroom Het adrenogenitaal syndroom is een klinische aandoening die verband houdt met stoornissen in de steroïdhormoonsynthese. Dit syndroom komt voor bij naar schatting 1 op 10.000 tot 1 op 15.000 geboortes [23](#page=23). Klinische kenmerken kunnen zijn: * Vergrote bijnieren, wat kan leiden tot carcinoom [23](#page=23). * "Salt wasting" (zoutverlies) of "non-salt wasting" varianten [23](#page=23). * Bijnierinsufficiëntie [23](#page=23). * Bij meisjes kunnen virilisatiekenmerken optreden [23](#page=23). Deze aandoeningen worden vaak veroorzaakt door een deficiëntie in het 21-hydroxylase enzym. Het adrenogenitaal syndroom illustreert de klinische link met de cholesterolmetabolieten, maar specifieke details van het syndroom hoeven niet per se gekend te zijn voor dit examen [23](#page=23). --- # Lipiden- en cholesteroltransport en atherosclerose Dit thema beschrijft hoe cholesterol en lipiden in het bloed worden getransporteerd via lipoproteïnen, hoe ze worden geclassificeerd, welke klinische parameters relevant zijn en hoe dit alles gerelateerd is aan de ontwikkeling van atherosclerose. ### 4.1 Cholesterol en lipiden transport in het bloed Cholesterol is van nature slecht wateroplosbaar, met een grenswaarde van minder dan 2 milligram per liter bloed. Echter, de concentratie cholesterol in het circulerende bloed is ongeveer 2 gram per liter, wat 1.000 keer hoger is. Dit verschil wordt verklaard door de aanwezigheid van lipoproteïnen. Lipoproteïnen fungeren als emulgatoren voor triglyceriden (TG) en cholesterolesters en zijn omgeven door een enkele mantel van fosfolipiden (PL) en een beperkte hoeveelheid vrij cholesterol. Daarnaast bevatten ze apoproteïnen [26](#page=26). #### 4.1.1 Lipoproteïnen: classificatie en kenmerken Lipoproteïnen worden gekenmerkt door hun samenstelling en de aanwezige apoproteïnen. Ze kunnen worden onderverdeeld in TG-rijke lipoproteïnen en cholesterolrijke lipoproteïnen [27](#page=27). Lipoproteïnen worden verder geclassificeerd op basis van hun dichtheid en diameter [28](#page=28). ### 4.2 Lipidparameters in het bloed en hun bepaling Voor het beoordelen van lipiden in het bloed worden routinematig totaal cholesterol, HDL-cholesterol en triglyceriden bepaald. De meeste laboratoria bepalen LDL-cholesterol niet direct, maar berekenen dit middels de Friedewald-formule [29](#page=29). De Friedewald-formule luidt: $$ \text{[LDL-cholesterol]} = \text{[Totaal cholesterol]} - \text{[HDL-cholesterol]} - \frac{\text{[Triglyceriden]}}{5} $$ [29](#page=29) [31](#page=31). Deze formule is alleen betrouwbaar indien de bloedafname nuchter is genomen. Tevens kan de formule niet worden berekend indien de triglyceridenwaarde hoger is dan 400 mg/dl. Bij triglyceridewaarden boven 200 mg/dl dient de berekende LDL-cholesterolwaarde met voorzichtigheid te worden geïnterpreteerd [29](#page=29). Een andere belangrijke parameter is non-HDL-cholesterol, wat wordt berekend als: $$ \text{[Non-HDL-cholesterol]} = \text{[Totaal cholesterol]} - \text{[HDL-cholesterol]} $$ [29](#page=29). Dit getal is een maat voor het totale aantal atherogene cholesterolmoleculen [29](#page=29). #### 4.2.1 Referentiewaarden voor lipiden De referentiewaarden voor lipiden in het plasma zijn beïnvloedbaar door factoren zoals leeftijd, geslacht, populatie, dieet en lichaamsbeweging [31](#page=31). | Parameter | Referentiewaarde (routinematig) | "Alert" value | | :-------------------- | :----------------------------- | :------------ | | Totaal cholesterol | < 180 mg/dl | > 250 mg/dl | | HDL-cholesterol (Man) | > 40 mg/dl | < 30 mg/dl | | HDL-cholesterol (Vrouw)| > 45 mg/dl | < 30 mg/dl | | Triglyceriden | < 150 mg/dl | > 500 mg/dl | | LDL-cholesterol | < 115 mg/dl | > 190 mg/dl | | Apo A1 (Man) | > 120 mg/dl | | | Apo A1 (Vrouw) | > 140 mg/dl | | | Apo B | < 130 mg/dl | | | Lp(a) | < 35 | > 50 | De referentiewaarden voor totaal cholesterol, HDL-cholesterol, LDL-cholesterol en triglyceriden zijn belangrijk om te kennen. Andere waarden zoals Apo A1, Apo B en Lp(a) worden niet routinematig gebruikt [30](#page=30). #### 4.2.2 Alternatieve formules voor LDL-cholesterolberekening Naast de Friedewald-formule bestaat ook de Martin-Hopkins formule voor het berekenen van LDL-cholesterol. Het principe achter deze formules is belangrijker dan de exacte cijfers [32](#page=32). ### 4.3 Apoproteïnen Apoproteïnen zijn eiwitten die essentieel zijn voor de structuur en functie van lipoproteïnen. Enkele belangrijke apoproteïnen en hun functies zijn [33](#page=33): * **Apo A-I (chromosoom 11):** Structureel eiwit van HDL; cofactor van LCAT; ligand voor ABCA1 en SR-B1 [33](#page=33). * **Apo B-100 (chromosoom 2):** Structureel eiwit van VLDL en LDL; ligand van de LDL-receptor [33](#page=33). * **Apo B-48 (chromosoom 2):** Structureel eiwit van chylomicronen (CM) [33](#page=33). * **Apo C-II (chromosoom 19):** Cofactor voor lipoproteïne lipase (LPL) [33](#page=33). * **Apo E (chromosoom 19):** Ligand voor LDL- en remnant-receptoren; betrokken bij lokale lipidendistributie en reverse cholesteroltransport (HDL) [33](#page=33). Het molecuulgewicht van de apoproteïnen hoeft niet gekend te zijn [33](#page=33). ### 4.4 Opname van lipiden uit de voeding De opname van lipiden uit de voeding verloopt via verschillende stappen [37](#page=37): 1. **Emulsificatie:** In de maag en het duodenum worden lipiden geëmulgeerd door fysische processen (warmte, peristaltiek) en maag- en speeksellipase [37](#page=37). 2. **Hydrolyse en micelvorming:** In het duodenum en jejunum vindt verdere hydrolyse plaats door pancreatisch lipase (geactiveerd met colipase). Vermenging met galzouten leidt tot de vorming van micellen [37](#page=37). 3. **Transfer naar brush border:** De micellen dragen bij aan de overdracht naar de brush border. De opname van de meeste moleculen gebeurt grotendeels via diffusie van monoglyceriden (MAG) en weinig polaire moleculen zoals lange keten vetzuren en cholesterol. Middellange keten (MCT) en korte vetzuren worden direct opgenomen via de porta-ader [37](#page=37). #### 4.4.1 Specifieke cholesterolabsorptie en -excretie De opname van cholesterol uit de darm vereist actieve transporteurs zoals Nieman Pick like intracellular cholesterol transporter 1 (NPC1L1). Fytosterolen (plantensterolen) concurreren met cholesterol voor deze opname, waardoor een hoge inname van plantensterolen kan leiden tot een daling van de cholesterolabsorptie. De excretie van galzouten wordt gereguleerd door ABCG5 en ABCG8. Aan de basolaterale zijde worden vetzuren, cholesterol en Apo B-48 geassembleerd tot chylomicronen [38](#page=38). ##### 4.4.1.1 Klinische implicaties van ABCG5/G8 mutaties Mutaties in de ABCG5/G8 genen verhinderen de excretie van cholesterol en plantensterolen, ondanks actieve opname via NPC1L1. Dit leidt tot accumulatie van cholesterol en plantensterolen (zoals sitosterol) in verschillende weefsels, wat kan resulteren in vroegtijdige atheromatose. Deze aandoening staat bekend als sitosterolemie. Ezetimibe (Ezetrol) is een medicijn dat de cholesterolabsorptie remt [39](#page=39). ### 4.5 Opname van cholesterol en triglyceriden vanuit de bloedbaan naar cellen Cholesterol wordt voornamelijk opgenomen door de cellen via de LDL-receptor. Triglyceriden worden voornamelijk opgenomen via het enzym lipoproteïne lipase (LPL) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44). LPL is verantwoordelijk voor het vrijmaken van vetzuren aan de cellen [43](#page=43). ### 4.6 VLDL synthese in de lever De lever produceert Very Low-Density Lipoproteins (VLDL) voor de excretie van TG en cholesterol vanuit de lever naar de bloedbaan. Dit proces is informatief [46](#page=46). ### 4.7 Atherosclerose: de rol van LDL-cholesterol De stapeling van LDL-cholesterol ter hoogte van de vaatwand is de primum movens in het ontstaan van atherosclerose [47](#page=47). ### 4.8 Klinische implicaties van lipidtransportstoornissen Verschillende factoren en aandoeningen hebben significante klinische implicaties met betrekking tot lipiden en atherosclerose: * **HMG CoA-reductaseremmers (statines):** Het blokkeren van HMG CoA-reductase leidt tot een upregulatie van LDL-receptoren, wat resulteert in een reductie van cholesterol [48](#page=48). * **Stoornissen in de LDL-receptor:** Problemen met de LDL-receptor kunnen leiden tot familiale hypercholesterolemie [48](#page=48). * **Invloed van glucose/fructose:** Hoge insulinespiegels als gevolg van verhoogde glucose- of fructose-inname hebben omgekeerde effecten op de synthese en excretie van TG en cholesterol. Dit resulteert in VLDL-deeltjes met een hoge TG-content en relatief lage cholesterol-content, wat kan leiden tot leversteatose (leververvetting) [48](#page=48). * **Verhoogd risico op hart- en vaatlijden:** Alle aandoeningen die leiden tot een stijging van LDL- en/of VLDL-cholesterol zijn direct en causaal verbonden met een verhoogd risico op hart- en vaatlijden [48](#page=48). > **Tip:** Het begrijpen van de Friedewald-formule en de referentiewaarden voor lipiden is cruciaal voor klinische interpretatie. Houd rekening met de voorwaarden waaronder de formule betrouwbaar is. > **Tip:** Atherosclerose is een multifactoriële ziekte, waarbij de accumulatie van LDL-cholesterol in de vaatwand een sleutelrol speelt. Het beheersen van lipidenprofielen is daarom essentieel voor preventie. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Acetyl-CoA | Een centrale molecule in de stofwisseling die wordt gevormd uit de afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten en dient als substraat voor de citroenzuurcyclus en de cholesterolsynthese. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de belangrijkste energiedrager in de cel, die wordt verbruikt bij veel cellulaire processen, waaronder de synthese van cholesterol. | | NADPH | Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat, een cofactor die een cruciale rol speelt als reductiemiddel in anabole reacties, zoals de vetzuur- en cholesterolsynthese. | | HMG-CoA reductase | Het enzym dat de snelheidsbepalende stap in de cholesterolsynthese katalyseert; de remming hiervan is een belangrijk therapeutisch doel voor het verlagen van cholesterol. | | Isoprenoïden (Terpenen) | Een diverse groep organische verbindingen die afgeleid zijn van isopreen, waaronder metabolieten die ontstaan tijdens de cholesterolsynthese en die vele biologische functies hebben. | | SREBP (Sterol Regulatory Element-Binding Proteins) | Transcriptiefactoren die de expressie reguleren van genen betrokken bij cholesterolhomeostase, zoals genen voor cholesterolsynthese en LDL-receptoren. | | LXR (Liver X Receptor) | Een nucleaire receptor die een sleutelrol speelt in de regulatie van lipiden- en cholesterolmetabolisme, en ook betrokken is bij ontsteking en immuunrespons. | | Galzouten | Afkomstig van cholesterol in de lever, deze geconjugeerde stoffen emulgeren vetten in de darm, faciliteren de absorptie van vetten en vetoplosbare vitaminen, en worden via een enterohepatische cyclus gerecirculeerd. | | Enterohepatische cyclus | Het proces waarbij stoffen die uitgescheiden zijn in de gal, zoals galzouten, opnieuw worden geabsorbeerd in de dunne darm en terugkeren naar de lever. | | Steroïde hormonen | Een klasse van lipide-hormonen die afgeleid zijn van cholesterol en essentieel zijn voor diverse fysiologische functies, zoals regulatie van metabolisme, immuunfunctie en voortplanting. | | CYP7A1 | Het enzym 7α-hydroxylase, dat de initiële en snelheidsbepalende stap in de synthese van galzuren uit cholesterol katalyseert in de lever. | | Lipoproteïnen | Complexe deeltjes die bestaan uit lipiden (cholesterol, triglyceriden) en eiwitten (apoproteïnen), verantwoordelijk voor het transport van wateronoplosbare lipiden in het bloedplasma. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat cholesterol transporteert van de lever naar de perifere weefsels; een hoog LDL-cholesterolgehalte wordt geassocieerd met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten. | | HDL (High-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat overtollig cholesterol transporteert van de perifere weefsels terug naar de lever voor uitscheiding (reverse cholesterol transport); wordt vaak "goed" cholesterol genoemd. | | Atherosclerose | Een chronische ziekte van de slagaderwand, gekenmerkt door de accumulatie van lipiden, ontstekingscellen en bindweefsel, wat leidt tot vernauwing en verstijving van de slagaders. | | Friedewald formule | Een formule die wordt gebruikt om de concentratie van LDL-cholesterol te schatten op basis van de gemeten waarden van totaal cholesterol, HDL-cholesterol en triglyceriden. | | Apoproteïnen | Eiwitcomponenten van lipoproteïnen die structurele functies vervullen, dienen als liganden voor receptoren en fungeren als cofactoren voor enzymen die betrokken zijn bij het lipidenmetabolisme. | | NPC1L1 (Niemann-Pick C1-Like 1) | Een cholesteroltransporter in de darm en lever die essentieel is voor de absorptie van cholesterol uit de voeding en de opname van cholesterol via de LDL-receptor. | | Sitosterolemie | Een zeldzame genetische aandoening veroorzaakt door mutaties in ABCG5 of ABCG8 genen, leidend tot een verminderde excretie van cholesterol en plantensterolen, met vroege atherosclerose als gevolg. |