Informations

1.2 : Fondements chimiques - Biologie


Molécules organiques

Sur Terre, toutes les molécules contenant du carbone proviennent d'organismes biologiques vivants, ce qui les a appelées composés organiques. Ces similitudes structurelles nous permettent de prédire comment un composé que nous n'avons jamais vu auparavant peut réagir, si nous savons comment d'autres molécules contenant les mêmes types de pièces sont connues pour réagir.

TCes parties de molécules organiques sont appelées groupes fonctionnels et sont constitués de motifs de liaison spécifiques avec les atomes les plus couramment trouvés dans les molécules organiques (C, H, O, N, S et P). L'identification des groupes fonctionnels et la capacité de prédire la réactivité en fonction des propriétés des groupes fonctionnels est l'une des pierres angulaires de la chimie organique.

Groupes fonctionnels sont des atomes, des ions ou des groupes d'atomes spécifiques ayant des propriétés cohérentes. Un groupe fonctionnel fait partie d'une molécule plus grosse.

Par exemple, -OH, le groupe hydroxyle qui caractérise les alcools, est un oxygène avec un hydrogène attaché. Il pourrait être trouvé sur un certain nombre de molécules différentes.

Tout comme les éléments ont des propriétés distinctives, les groupes fonctionnels ont des chimies caractéristiques. Un groupe fonctionnel -OH sur une molécule aura tendance à réagir de manière similaire, bien que peut-être pas de manière identique, à un -OH sur une autre molécule.

Les réactions organiques ont généralement lieu au niveau du groupe fonctionnel. Par conséquent, l'apprentissage des réactivités des groupes fonctionnels vous préparera à comprendre de nombreux autres aspects de la biochimie.

Les groupes fonctionnels sont des unités structurelles au sein de composés organiques qui sont définies par des arrangements de liaison spécifiques entre des atomes spécifiques. La structure de la capsaïcine, le composé ardent trouvé dans les piments forts, incorpore plusieurs groupes fonctionnels, étiquetés dans la figure ci-dessous et expliqués tout au long de cette section.

Au fur et à mesure que nous progressons dans notre étude de la biochimie, il deviendra extrêmement important de pouvoir reconnaître rapidement les groupes fonctionnels les plus courants, car ce sont les éléments structurels clés qui définissent la réaction des molécules organiques. Vous trouverez ci-dessous une brève introduction aux principaux groupes fonctionnels organiques.


Alcanes

Le « défaut » en chimie organique (essentiellement, le manquer de de n'importe quels groupes fonctionnels) est donné le terme hydrocarbure, caractérisé par des liaisons simples entre carbone et carbone, ou entre carbone et hydrogène. Méthane, CH4, est le gaz naturel que vous pouvez brûler dans votre fournaise. Octane, C8H18, est un composant de l'essence.


Alcènes et alcynes

Alcènes (parfois appelées oléfines) ont des doubles liaisons carbone-carbone, et alcynes ont des triples liaisons carbone-carbone. L'éthène, l'exemple d'alcène le plus simple, est un gaz qui sert de signal cellulaire dans les fruits pour stimuler la maturation. (Si vous voulez que les bananes mûrissent rapidement, mettez-les dans un sac en papier avec une pomme - la pomme émet du gaz éthène (également appelé éthylène), déclenchant le processus de maturation des bananes). L'éthylène, communément appelé acétylène, est utilisé comme combustible dans les chalumeaux de soudage.

De nombreux alcènes peuvent prendre deux formes géométriques : cis ou trans. Les cis et trans les formes d'un alcène donné sont des isomères différents avec des propriétés physiques différentes car il existe une barrière énergétique très élevée à la rotation autour d'une double liaison. Dans l'exemple ci-dessous, la différence entre cis et trans alcènes est facilement apparent.

Les alcanes, les alcènes et les alcynes sont tous classés comme hydrocarbures, car ils sont composés uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène. On dit que les alcanes sont hydrocarbures saturés, parce que les carbones sont liés au plus grand nombre possible d'hydrogènes - en d'autres termes, ils sont "saturé' avec des atomes d'hydrogène. Les carbones à double et triple liaison dans les alcènes et les alcynes ont moins d'atomes d'hydrogène liés à eux - ils sont donc appelés hydrocarbures insaturés.


Aromatiques

Les groupe aromatique est illustré par le benzène (qui était un solvant couramment utilisé en laboratoire biologique, mais qui s'est avéré cancérigène) et le naphtalène, un composé avec une odeur distinctive de « boule à mites ». Les groupes aromatiques sont des structures annulaires planes (plates) et sont répandus dans la nature.

Halogénures d'alkyle

Lorsque le carbone d'un alcane est lié à un ou plusieurs halogènes, le groupe est appelé un halogénure d'alkyle ou haloalcane. Le chloroforme est un solvant utile en laboratoire et était l'un des premiers anesthésiques utilisés en chirurgie. Le chlorodifluorométhane a été utilisé comme réfrigérant et dans les aérosols jusqu'à la fin du XXe siècle, mais son utilisation a été interrompue après avoir découvert qu'il avait des effets nocifs sur la couche d'ozone. Le bromoéthane est un simple halogénure d'alkyle souvent utilisé en synthèse organique. Les groupes halogénures d'alkyle sont assez rares dans les biomolécules.


Alcools, phénols et thiols

Dans le de l'alcool groupe fonctionnel, un carbone est uni à un groupe OH (le groupe OH, lorsqu'il fait partie d'une molécule plus grosse, est appelé un Groupe hydroxyle). À l'exception du méthanol, tous les alcools peuvent être classés comme primaires, secondaires ou tertiaires. Dans un alcool primaire, le carbone lié au groupe OH est également lié à un seul autre carbone. Dans un alcool secondaire et un alcool tertiaire, le carbone est lié à deux ou trois autres carbones, respectivement. Lorsque le groupe hydroxyle est directement attaché à un cycle aromatique, le groupe résultant est appelé un phénol. L'analogue soufré d'un alcool est appelé thiol (du grec thio, pour le soufre).

Notez que la définition d'un phénol stipule que l'oxygène hydroxyle doit être directement attaché à l'un des carbones du cycle aromatique. Le composé ci-dessous est donc ne pas un phénol - c'est un alcool primaire.

La distinction est importante, car il existe une différence significative dans la réactivité des alcools et des phénols


Éthers et sulfures

Dans un éther groupe fonctionnel, un oxygène est lié à deux carbones. Vous trouverez ci-dessous la structure de l'éther diéthylique, un solvant de laboratoire courant et également l'un des premiers composés à être utilisé comme anesthésique pendant les opérations. L'analogue soufré d'un éther est appelé un thioéther ou sulfure.


Amines

Amines sont caractérisés par des atomes d'azote avec des liaisons simples à l'hydrogène et au carbone. Tout comme il existe des alcools primaires, secondaires et tertiaires, il existe des amines primaires, secondaires et tertiaires. L'ammoniac est un cas particulier sans atome de carbone.

L'une des propriétés les plus importantes des amines est qu'elles sont basiques et qu'elles sont facilement protonées pour former des cations ammonium. Dans le cas où un azote a quatre liaisons au carbone (ce qui est quelque peu inhabituel dans les biomolécules), il est appelé ion ammonium quaternaire.

Remarque : Ne soyez pas confus par la façon dont les termes « primaire », « secondaire » et « tertiaire » sont appliqués aux alcools et aux amines – les définitions sont différentes. Dans les alcools, ce qui compte, c'est combien d'autres carbones l'alcool carbone est lié à, tandis que dans les amines, ce qui compte, c'est combien de carbones le azote est lié à.


Phosphates organiques

Le phosphate et ses groupes fonctionnels dérivés sont omniprésents dans les biomolécules. Le phosphate lié à un seul groupe organique est appelé un ester phosphaté; lorsqu'il a deux liens avec des groupes organiques, il est appelé diester de phosphate. Une liaison entre deux phosphates crée un anhydride phosphate.


Aldéhydes et cétones

Il existe un certain nombre de groupes fonctionnels qui contiennent une double liaison carbone-oxygène, communément appelée carbonyle. Les cétones et les aldéhydes sont deux groupes fonctionnels à base de carbonyle étroitement liés qui réagissent de manière très similaire. Dans un cétone, l'atome de carbone d'un carbonyle est lié à deux autres carbones. Dans un aldéhyde, le carbone carbonyle est lié d'un côté à un hydrogène, et de l'autre côté à un carbone. L'exception à cette définition est le formaldéhyde, dans lequel le carbone carbonyle a des liaisons avec deux hydrogènes.


Acides carboxyliques et leurs dérivés

Lorsqu'un carbone carbonyle est lié d'un côté à un carbone (ou hydrogène) et de l'autre côté à un oxygène, azote ou soufre, le groupe fonctionnel est considéré comme l'un des « dérivés d'acide carboxylique », une désignation qui décrit un ensemble de groupes fonctionnels apparentés. Le membre principal de cette famille est le acide carboxylique groupe fonctionnel, dans lequel le carbonyle est lié à un groupe hydroxyle. Les ion carboxylate formulaire a fait don du H+ à la solution. D'autres dérivés sont esters carboxyliques(généralement simplement appelés « esters »), thioesters, amides, phosphates d'acyle, chlorures d'acide, et anhydrides d'acide. À l'exception des chlorures d'acide et des anhydrides d'acide, les dérivés d'acide carboxylique sont très courants dans les molécules biologiques et/ou les voies métaboliques et seront discutés plus en détail dans un chapitre ultérieur.

Entraînez-vous à reconnaître les groupes fonctionnels dans les molécules

Un même composé contient souvent plusieurs groupes fonctionnels, notamment en chimie organique biologique. Les molécules de sucre à six carbones, le glucose et le fructose, par exemple, contiennent respectivement des groupes aldéhyde et cétone, et les deux contiennent cinq groupes alcool. Un composé avec plusieurs groupes alcool est souvent appelé un « polyol ».

L'hormone testostérone, l'acide aminé phénylalanine et le métabolite de la glycolyse dihydroxyacétone phosphate contiennent tous plusieurs groupes fonctionnels, comme indiqué ci-dessous.

Bien qu'il ne s'agisse en aucun cas d'une liste complète, cette section a couvert la plupart des groupes fonctionnels importants que nous rencontrerons en biochimie. Le tableau 1.7 présente un résumé de tous les groupes énumérés dans cette section.

Tableau 1.7 Groupes fonctionnels organiques communs

Exercice 1.X

Identifiez les groupes fonctionnels (autres que les alcanes) dans les composés organiques suivants. Indiquez si les alcools et les amines sont primaires, secondaires ou tertiaires.

Exercice 1.XY

Dessinez un exemple de chacun des composés correspondant aux descriptions ci-dessous, en utilisant des structures linéaires. Assurez-vous de désigner l'emplacement de toutes les charges formelles non nulles. Tous les atomes doivent avoir des octets complets (le phosphore peut dépasser la règle de l'octet). Il existe de nombreuses réponses correctes possibles pour ces derniers, alors assurez-vous de vérifier vos structures avec votre instructeur ou tuteur.

a) un composé de formule moléculaire C6H11NO qui comprend des groupes fonctionnels alcène, amine secondaire et alcool primaire

b) un ion de formule moléculaire C3H5O6P2- qui comprend des groupes fonctionnels aldéhyde, alcool secondaire et phosphate.

c) Un composé de formule moléculaire C6H9NO qui a un groupe fonctionnel amide, et ne ne pas avoir un groupe alcène.

Métabolites primaires

Les métabolites primaires sont des composants des voies métaboliques de base nécessaires à la vie. Ils sont associés à des fonctions cellulaires essentielles telles que l'assimilation des nutriments, la production d'énergie et la croissance/le développement. Ils ont une large distribution d'espèces qui couvrent de nombreux phylums et souvent plus d'un royaume. Les métabolites primaires comprennent les éléments constitutifs nécessaires à la fabrication des quatre macromolécules principales dans le corps : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques (ADN et ARN).

Ce sont de gros polymères du corps qui sont construits à partir de la répétition d'unités monomères plus petites (Fig. 6.1). Les unités monomères pour construire les acides nucléiques, ADN et ARN, sont les bases nucléotidiques, tandis que les monomères pour les protéines sont des acides aminés, pour les glucides sont des résidus de sucre et pour les lipides sont des acides gras ou des groupes acétyle.

Figure 1.28 Les éléments constitutifs moléculaires de la vie sont constitués de composés organiques. Modifié à partir de : Boghog


Réactions formant les macromolécules majeures

Les macromolécules majeures sont construites en assemblant des sous-unités monomères répétitives par le processus de synthèse par déshydratation. Il est intéressant de noter que les unités fonctionnelles organiques utilisées dans les procédés de synthèse par déshydratation pour chacun des principaux types de macromolécules présentent des similitudes les unes avec les autres. Ainsi, il est utile de regarder les réactions ensemble (Figure 1.29)

Figure 1.29 Réactions de synthèse de déshydratation impliquées dans la formation de macromolécules. Les principales réactions organiques nécessaires à la biosynthèse des lipides, des acides nucléiques (ADN/ARN), des protéines et des glucides sont présentées. Notez que dans toutes les réactions, il existe un groupe fonctionnel qui contient deux groupes électroattracteurs (l'acide carboxylique, l'acide phosphorique et l'hémiacétal ont chacun deux atomes d'oxygène attachés à un atome central de carbone ou de phosphore). Cela forme un atome central réactif partiellement positif (carbone dans le cas de l'acide carboxylique et de l'hémiacétal, ou phosphore dans le cas de l'acide phosphorique) qui peut être attaqué par l'oxygène ou l'azote électronégatif d'une fonction alcool ou amine. Dans les systèmes biologiques, de nombreux groupes fonctionnels, tels que les acides carboxyliques, nécessitent une activation avant de pouvoir être utilisés dans des réactions de synthèse et seront détaillés dans les chapitres suivants.


Les métabolites primaires impliqués dans la production d'énergie comprennent de nombreuses enzymes qui décomposent les molécules alimentaires, telles que les glucides et les lipides, et capturent l'énergie libérée lors de l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate (ATP). Enzymes sont des catalyseurs biologiques qui accélèrent la vitesse des réactions chimiques. Ce sont généralement des protéines, qui sont composées de blocs de construction d'acides aminés. La structure de base des cellules et des organismes est également composée de métabolites primaires. Ceux-ci comprennent les membranes cellulaires (par exemple les phospholipides), les parois cellulaires (par exemple le peptidoglycane, la chitine) et les cytosquelettes (protéines). L'ADN et l'ARN qui stockent et transmettent l'information génétique sont composés de métabolites primaires d'acide nucléique. Les métabolites primaires comprennent également des molécules impliquées dans la signalisation, la communication et le transport cellulaires. La structure et la fonction des métabolites primaires sont un élément clé de ce texte. Ces réactions seront détaillées dans les chapitres suivants.

Ions et complexes inorganiques

être ajouté


RésuméLes hydrogels sont des polymères hydrophiles réticulés qui peuvent s'imbiber d'eau ou de fluides biologiques. Leurs applications biomédicales et pharmaceutiques comprennent une très large gamme de systèmes et de processus qui utilisent plusieurs caractéristiques de conception moléculaire. Cette revue traite de la structure moléculaire, du comportement dynamique et des modifications structurelles des hydrogels ainsi que des diverses applications de ces biohydrogels.

Les progrès récents dans la préparation de structures tridimensionnelles avec des conformations de chaîne exactes, ainsi que l'attache de groupes fonctionnels, permettent la préparation de nouveaux hydrogels prometteurs. Pendant ce temps, les biohydrogels intelligents sensibles au pH ou à la température continuent d'être des matériaux importants dans les applications médicales.


Voir la vidéo: cours 1 technique danalyse (Janvier 2022).