Biochimie
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Biochimie (du grec : βίος, bios, «vie» et Keme égyptienne, «Terre») est l'étude des produits chimiques dans les processus vivant organismes . Il traite de la la structure et la fonction des composants cellulaires, tels que les protéines , les glucides , les lipides , des acides nucléiques, et autres biomolécules. La biologie chimique vise à répondre à plusieurs questions découlant de la biochimie en utilisant des outils développés au sein synthèse chimique.
Bien qu'il existe un grand nombre de différentes biomolécules, beaucoup sont des molécules complexes et de grande taille (appelés polymères) qui sont composés de sous-unités répétitives similaires (appelés monomères). Chaque classe de biomolécules polymère possède un ensemble différent de types de sous-unités. Par exemple, une protéine est un polymère constitué de 20 ou plus acides aminés . Biochimie étudie les propriétés chimiques des molécules biologiques importantes, telles que des protéines, en particulier la chimie de enzyme catalyse les réactions .
La biochimie de la cellule et le métabolisme système endocrinien a été largement décrite. Autres domaines de la biochimie incluent le code génétique ( ADN , ARN), la synthèse des protéines, membrane cellulaire transports , et la transduction de signal.
Cet article ne traite que de la biochimie terrestre ( de carbone - et l'eau à base de), que toutes les formes de vie que nous connaissons sont sur la Terre . Depuis formes de vie en vie aujourd'hui sont émis l'hypothèse par la plupart ont descendu de la même ancêtre commun, ils ont biochemistries similaires, même pour les questions qui semblent être essentiellement arbitraire, comme chiralité de diverses biomolécules. On ignore si biochemistries alternatives sont possibles ou pratique.
Histoire
À l'origine, on croyait généralement que la vie ne était pas soumis aux lois de la science de la façon dont les non-vie était. On pensait que les êtres vivants ne pouvaient produire les molécules de la vie (d'autres biomolécules, qui existaient auparavant). Puis, en 1828, Friedrich Wöhler a publié un document sur la synthèse de l'urée , ce qui prouve que organiques composés peuvent être créés artificiellement.
L'aube de la biochimie a peut-être été la découverte de la première enzyme, diastase (appelé aujourd'hui amylase), en 1833 par Anselme Payen. Eduard Buchner contribué la première démonstration d'un processus biochimique complexe extérieur d'une cellule en 1896: fermentation alcoolique dans des extraits de cellules de levure. Bien que le terme "biochimie" semble avoir été utilisé pour la première en 1882, il est généralement admis que la monnaie officielle de la biochimie se est produite en 1903 par Carl Neuberg, un Allemand chimiste. Auparavant, cette zone aurait été dénommé chimie physiologique . Depuis lors, la biochimie a progressé, en particulier depuis le milieu du 20ème siècle, avec le développement de nouvelles techniques telles que la Chromatographie , Diffraction des rayons X, Spectroscopie RMN, étiquetage radio-isotopique, La microscopie électronique et simulations de dynamique moléculaire. Ces techniques ont permis la découverte et l'analyse détaillée de nombreuses molécules et voies métaboliques de la cellule , tels que et la glycolyse Cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique).
Un autre événement historique important dans la biochimie est la découverte de la gène et son rôle dans le transfert d'information dans la cellule. Cette partie de la biochimie est souvent appelé biologie moléculaire. Dans les années 1950, James D. Watson , Francis Crick , Rosalind Franklin, et Maurice Wilkins ont joué un rôle dans la résolution de la structure de l'ADN et suggérant sa relation avec transfert génétique de l'information. En 1958, George Beadle et Edward Tatum a reçu le prix Nobel pour le travail dans les champignons montrant qu'un gène produit une enzyme. En 1988, Colin Pitchfork a été la première personne reconnue coupable d'assassiner avec l'ADN des preuves, ce qui a conduit à la croissance des science médico-légale. Plus récemment, Andrew Z. Fire et Craig C. Mello a reçu le prix Nobel 2006 pour découvrir le rôle de l'interférence ARN ( ARNi), dans le silençage de l'expression génique.
Aujourd'hui, il existe trois principaux types de biochimie établis par Michael E. sucre. la biochimie des plantes implique l'étude de la biochimie des organismes autotrophes tels que la photosynthèse et d'autres plantes spécifiques biochimiques processus. Biochimie générale englobe à la fois végétale et animale biochimie. Biochimie médicale / médicament / humain se concentre sur la biochimie des humains et des maladies médicales.
Glucides
La fonction de glucides comprend le stockage d'énergie et fournissant une structure. sucres sont les glucides, mais pas tous les glucides sont les sucres. Il ya plus de glucides sur Terre que tout autre type connu de biomolécules.
Monosaccharides
Le type le plus simple de glucides est un monosaccharide, parmi d'autres propriétés qui contient du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène , essentiellement dans un rapport de 1: 2: 1 (généralisée formule C n H 2n O n, où n est au moins 3). Le glucose , une des plus importantes les hydrates de carbone, est un exemple d'un monosaccharide. Ainsi en est- fructose, le sucre qui donne des fruits de leur goût sucré. Certains glucides (surtout après condensation d'oligo- et polysaccharides) contient moins de carbone par rapport à H et O, qui sont toujours présents en 2: 1 (H: O) rapport. Les monosaccharides peuvent être regroupés en aldoses (ayant un un groupe aldéhyde à l'extrémité de la chaîne, par exemple le glucose) et cétoses (ayant un céto groupe dans leur chaîne, par exemple fructose). Les deux aldoses et cétoses se produisent dans un équilibre entre les formes à chaîne ouverte et (à partir de longueurs de chaîne de C4) des formes cycliques. Celles-ci sont générées par formation d'une liaison entre l'un des groupes hydroxyle de la chaîne de sucre avec le carbone du groupe aldéhyde ou céto pour former un liaison hémiacétal. Cela conduit à des saturé à cinq chaînons (dans furanoses) ou six chaînons (dans pyranoses) des hétérocycles contenant un hétéroatome comme O.
Disaccharides
Deux monosaccharides peuvent être joints ensemble à l'aide synthèse de déshydratation, dans lequel un atome d'hydrogène est éliminé à partir de l'extrémité d'une molécule et un un groupe hydroxyle (-OH) est retiré de l'autre; les résidus restants sont ensuite fixés sur les sites à partir desquels ont été retirés les atomes. Le H-OH ou H 2 O est alors libéré comme une molécule d' eau , d'où le terme de déshydratation. La nouvelle molécule, composé de deux monosaccharides, est appelé disaccharide et est conjointe entre eux par un ou glycosidique liaison éther . La réaction inverse peut également se produire, en utilisant une molécule d'eau pour séparer un disaccharide et de briser la liaison glycosidique; ce est appelée hydrolyse. Le disaccharide le plus connu est le saccharose , ordinaire sucre (dans des contextes scientifiques, appelé sucre de table ou de sucre de canne pour la différencier des autres sucres). Le saccharose est constitué d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose reliés entre eux. Un autre disaccharide est importante lactose, consistant en une molécule de glucose et d'un molécule de galactose. Comme la plupart des humains âge, la production de lactase, l'enzyme qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose, diminue généralement. Il en résulte carence en lactase, également appelée intolérance au lactose.
des polymères de sucre sont caractérisés par la réduction ou l'extrémité non réductrice. Un extrémité réductrice d'un hydrate de carbone est un atome de carbone qui peut être en équilibre avec la chaîne ouverte aldéhyde ou forme céto. Si la jonction des monomères se effectue à un tel atome de carbone, le groupe hydroxy libre du pyranose ou furanose est échangé avec une chaîne OH-côté d'un autre sucre, qui donne une pleine acétal. Elle interdit l'ouverture de la chaîne à la forme aldéhyde ou cétone et rend le résidu modifié non réducteur. Le lactose contient une extrémité réductrice, à sa fraction de glucose, tandis que la fraction galactose former un acétal complet avec le groupe C4-OH de glucose. Le saccharose ne est pas une extrémité réductrice en raison de la formation d'acétal complet entre le carbone de l'aldéhyde de glucose (C1) et le céto carbone de fructose (C2).
Les oligosaccharides et polysaccharides
Lorsque quelques-uns (environ trois à six) monosaccharides sont réunies, il est appelé un oligosaccharides (oligo signifie «peu»). Ces molécules ont tendance à être utilisées comme marqueurs et des signaux, ainsi que d'avoir d'autres utilisations.
De nombreux monosaccharides réunis font un polysaccharide. Ils peuvent être réunis en une longue chaîne linéaire, ou peuvent être ramifiés. Deux des polysaccharides les plus courants sont la cellulose et le glycogène, les deux consistant en répétant glucose monomères.
- La cellulose est faite par les plantes et est un élément structural important de leur parois cellulaires. Les humains ne peuvent ni fabriquer, ni digérer.
- Le glycogène, d'autre part, est une animaux hydrate de carbone; les humains et les autres animaux utilisent comme une forme de stockage de l'énergie.
Protéines
Comme glucides, certaines protéines jouent des rôles largement structurelles. Par exemple, les mouvements des protéines actine et en fin de compte la myosine sont responsables de la contraction du muscle squelettique. Une propriété de nombreuses protéines, ce est qu'ils se lient spécifiquement à une certaine molécule ou d'une classe de molécules, ils peuvent être extrêmement sélectif en ce qu'ils se lient. Les anticorps sont un exemple de protéines qui se fixent à un type spécifique de molécule. En fait, la enzyme dosage immunoenzymatique (ELISA), qui utilise des anticorps, est actuellement l'un des tests les plus sensibles médecine moderne utilise pour détecter les diverses biomolécules. Probablement protéines les plus importantes, cependant, sont les enzymes. Ces molécules étonnantes reconnaissent molécules réactifs spécifiques appelés substrats; puis ils catalysent la réaction entre eux. En abaissant la énergie d'activation , l'enzyme accélère cette réaction par un taux de 10 11 ou plus: une réaction qui prendrait normalement plus de 3000 ans pour terminer spontanément pourrait prendre moins d'une seconde avec une enzyme. L'enzyme lui-même ne est pas utilisée dans le processus, et est libre de catalyser la même réaction avec un nouvel ensemble de substrats. Utilisation de divers modificateurs, l'activité de l'enzyme peut être régulée, ce qui permet le contrôle de la biochimie de la cellule dans son ensemble.
En substance, les protéines sont des chaînes d' acides aminés . Un acide aminé est constitué d'un atome de carbone lié à quatre groupes. L'un est un groupe amino groupe, -NH 2, et l'autre est un acide carboxylique groupe -COOH (même si ceux-ci existent sous forme de -NH 3 + et -COO - dans des conditions physiologiques). Le troisième est un simple, l'hydrogène atomique. Le quatrième est communément dénommée "-R" et est différente pour chaque acide aminé. Il ya vingt acides aminés standards. Certains d'entre eux ont des fonctions par eux-mêmes ou sous une forme modifiée; par exemple, les fonctions du glutamate comme un important neurotransmetteur.
Les acides aminés peuvent être liés ensemble par l'intermédiaire d'un liaison peptidique. Dans cette synthèse de la déshydratation, une molécule d'eau est enlevée et la liaison peptidique relie l'atome d'azote du groupe amino d'un acide aminé à l'atome de carbone du groupe carboxylique de l'autre. La molécule qui en résulte est appelée dipeptidiques et courts tronçons d'acides aminés (habituellement, moins d'une trentaine) sont appelés des peptides ou des polypeptides. Étirements méritent plus les protéines de titre. A titre d'exemple, le sang importants protéines sériques albumine contient 585 résidus d'acides aminés.
La structure des protéines est traditionnellement décrit dans une hiérarchie de quatre niveaux. Le la structure primaire d'une protéine se compose simplement de sa séquence d'acides aminés linéaire; par exemple, «alanine-glycine-tryptophane-sérine-glutamate-asparagine-glycine-lysine ...". La structure secondaire est préoccupé par la morphologie locale. Certaines combinaisons d'acides aminés auront tendance à se enrouler dans une bobine appelé α-hélice ou en une feuille appelée β-feuille; certains α-hélices peut être vu dans le schéma d'hémoglobine supérieur. Structure tertiaire est l'ensemble de forme tridimensionnelle de la protéine. Cette forme est déterminée par la séquence d'acides aminés. En fait, un seul changement peut changer toute la structure. La chaîne alpha de l'hémoglobine contient 146 résidus d'acides aminés; substitution de la résidu de glutamate en position 6 avec un résidu valine modifie le comportement de l'hémoglobine, si bien qu'il en résulte la drépanocytose . Enfin structure quaternaire concerne la structure d'une protéine avec de multiples sous-unités peptidiques, comme l'hémoglobine, avec ses quatre sous-unités. Toutes les protéines ne ont pas plus d'une sous-unité.
Protéines ingérées sont généralement divisés en acides aminés ou dipeptides simples dans la intestin grêle, puis absorbé. Ils peuvent ensuite être réunis pour faire de nouvelles protéines. Produits intermédiaires de la glycolyse, le cycle de l'acide citrique, et la voie des pentoses phosphates peut être utilisé pour rendre l'ensemble des vingt acides aminés, et la plupart des bactéries et des plantes possèdent toutes les enzymes nécessaires à leur synthèse. Les humains et les autres mammifères, cependant, ne peuvent synthétiser la moitié d'entre eux. Ils ne peuvent pas synthétiser l'isoleucine, la leucine, lysine, méthionine, la phénylalanine, thréonine, le tryptophane, et valine. Il se agit de la acides aminés essentiels, car il est essentiel de les ingérer. Les mammifères ne possèdent les enzymes de synthèse l'alanine, asparagine, aspartate, cystéine, glutamate, la glutamine, glycine, proline, la sérine, et la tyrosine, les acides aminés non essentiels. Alors qu'ils peuvent synthétiser arginine et histidine, ils ne peuvent pas produire en quantités suffisantes pour les jeunes animaux en pleine croissance, et ceux-ci sont souvent considérés comme des acides aminés essentiels.
Si le groupe amino est éliminé à partir d'un acide aminé, il laisse derrière lui un squelette carboné appelé α- céto. Enzymes appelés transaminases peuvent facilement transférer le groupe amino d'un acide aminé (ce qui en fait un acide α-céto) à un autre acide α-céto (ce qui en fait un acide aminé). Ceci est important dans la biosynthèse des acides aminés, comme pour la plupart des voies, des intermédiaires d'autres voies biochimiques sont convertis au squelette de l'acide α-céto, puis un groupe amino est ajouté, souvent via transamination. Les acides aminés peuvent ensuite être liés ensemble pour faire une protéine.
Un processus similaire est utilisé pour décomposer les protéines. Il est d'abord hydrolysé en ses amino-acides constitutifs. Gratuit l'ammoniac (NH 3), existant en tant que ion ammonium (NH 4 +) dans le sang, est toxique pour les formes de vie. Un procédé approprié pour excréter il doit donc exister. Différentes stratégies ont évolué dans différents animaux, en fonction des besoins des animaux. Les organismes unicellulaires, bien sûr, il suffit de relâcher l'ammoniac dans l'environnement. De même, poissons osseux peuvent libérer l'ammoniac dans l'eau où il est dilué rapidement. En général, les mammifères convertissent l'ammoniaque en urée, par l'intermédiaire du cycle de l'urée.
Lipides
Le terme lipide comprend un large éventail de molécules et dans une certaine mesure est un fourre-tout pour relativement insoluble dans l'eau ou composés non polaires d'origine biologique, y compris cires, acides gras , acides gras dérivés les phospholipides, sphingolipides, glycolipides et terpénoïdes (par ex. les rétinoïdes et les stéroïdes). Certains lipides sont linéaires molécules aliphatiques, tandis que d'autres ont des structures cycliques. Certains sont aromatiques, tandis que d'autres ne sont pas. Certains sont flexibles, tandis que d'autres sont rigides.
La plupart des lipides ont un certain caractère polaire en plus d'être en grande partie non polaire. En général, la majeure partie de leur structure est non polaire ou hydrophobe ("l'eau-craignant"), ce qui signifie qu'elle ne interagit pas bien avec des solvants polaires comme l'eau. Une autre partie de leur structure est polaire ou hydrophile ("l'eau-aimer») et aura tendance à associer avec des solvants polaires comme l'eau. Cela fait d'eux molécules amphiphiles (ayant des parties à la fois hydrophobes et hydrophiles). Dans le cas de le cholestérol, le groupe polaire est un simple -OH ( un groupe hydroxyle ou alcool). Dans le cas des phospholipides, les groupes polaires sont beaucoup plus grandes et plus polaire, tel que décrit ci-dessous.
Les lipides sont une partie intégrante de notre alimentation quotidienne. Plus huiles et produits laitiers que nous utilisons pour cuisiner et manger comme le beurre , le fromage , ghee etc., sont constitués de graisses. Les huiles végétales sont riches en divers les acides gras polyinsaturés (AGPI). Les aliments contenant des lipides sont soumis à une digestion dans le corps et sont divisées en acides gras et le glycerol, qui sont les produits de dégradation finaux des graisses et des lipides.
Acides nucléiques
Un acide nucléique est un haut poids moléculaire biochimique complexe macromolécule composée de chaînes de nucléotides qui véhiculent l'information génétique. Les acides nucléiques les plus communs sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique ( ARN). Les acides nucléiques sont présents dans toutes les cellules vivantes et les virus. Mis à part le matériel génétique de la cellule, les acides nucléiques jouent souvent un rôle des seconds messagers, ainsi que la formation de la molécule de base de l'adénosine triphosphate , la molécule-support énergie primaire trouvé dans tous les organismes vivants.
Acide nucléique, ainsi appelé en raison de sa prévalence dans cellulaire noyaux, est le nom générique de la famille de biopolymères. Les monomères sont appelés nucléotides, et chacun se compose de trois éléments: un hétérocyclique azoté base (soit un une purine ou pyrimidine), un pentose sucre , et un groupe phosphate. Types d'acides nucléiques différentes diffèrent dans le sucre spécifique trouvé dans leur chaîne (par exemple ADN ou acide désoxyribonucléique contient 2- désoxyriboses). En outre, les bases azotées possibles dans les deux acides nucléiques sont différents: adénine, cytosine, et guanine se produire dans les deux ARN et l'ADN, tout en thymine se produit uniquement dans l'ADN et l'uracile dans l'ARN produit.
Relations avec d'autres "à l'échelle moléculaire" sciences biologiques
Les chercheurs en biochimie utilisent des techniques spécifiques indigènes à la biochimie, mais de plus en plus les combiner avec des techniques et des idées de la génétique , la biologie moléculaire et biophysique. Il n'a jamais été une ligne dure entre ces disciplines en termes de contenu et de la technique, mais les membres de chaque discipline ont dans le passé été très territoriale; aujourd'hui les termes de biologie moléculaire et de biochimie sont presque interchangeables. La figure suivante est un schéma qui représente une vue possible de la relation entre les champs:
- La biochimie est l'étude des substances chimiques et des processus démographiques qui surviennent dans la vie des organismes . Biochimistes se concentrent fortement sur le rôle, la fonction et la structure de biomolécules. L'étude de la chimie derrière les processus biologiques et la synthèse de molécules biologiquement actives sont des exemples de la biochimie.
- La génétique est l'étude de l'effet des différences génétiques sur les organismes. Souvent, cela peut être déduit par l'absence d'une composante normale (par exemple une gène). L'étude de " "- organismes mutants qui sont dépourvus d'un ou plusieurs éléments fonctionnels à l'égard de la soi-disant" type sauvage "ou normal phénotype. (Interactions génétiques épistasie) peut souvent confondre interprétations simples de ces études "knock-out".
- La biologie moléculaire est l'étude des mécanismes moléculaires du processus de replication, la transcription et la traduction de la matériel génétique. Le dogme central de la biologie moléculaire, où le matériel génétique est transcrit en ARN, puis traduit en protéine, en dépit d'être une image simpliste de la biologie moléculaire, fournit toujours un bon point de départ pour comprendre le domaine. Cette image, cependant, est en cours de révision à la lumière de nouveaux rôles émergents pour ARN.
- Biologie chimique cherche à développer de nouveaux outils basés sur petites molécules qui permettent perturbation minimale des systèmes biologiques tout en fournissant des informations détaillées sur leur fonction. En outre, la biologie chimique utilise des systèmes biologiques pour créer des hybrides non naturelles entre biomolécules et dispositifs synthétiques (par exemple vidé capsides virales qui peuvent offrir une thérapie génique ou des molécules de médicament).
