Pour tous les êtres vivants, des bactéries aux humains, on retrouve les quatre mêmes types de molécules complexes : lipides, glucides, protéines et acides nucléiques. Les trois dernières étant particulièrement volumineuses, on les qualifie de macromolécules. Par exemple, les protéines peuvent comporter des milliers d'atomes et leur masse peut dépasser 100 000 daltons.
Les macromolécules appartenant aux glucides, aux protéines et aux acides nucléiques sont des polymères. Ce sont des molécules constituées d'un grand nombre d'unités structurales identiques ou semblables rattachées par des liaisons covalentes. Chacune des petites unités structurales formant un polymère s'appelle un monomère.
Les enzymes sont des macromolécules spécialisées qui accroissent la vitesse des réactions chimiques en synthétisant ou dégradant d'autres macromolécules. La réaction qui entraine la liaison des monomères est un bon exemple de la réaction de déshydratation (ou condensation), une réaction dans laquelle deux molécules s'associent par une liaison covalente en même temps qu'il se forme une molécule d'eau. Chaque fois que deux monomères s'unissent, chacun fournit une partie de la molécule d'eau éliminée au cours de la réaction : l'un un groupent hydroxyde (—OH) , l'autre un atome d'hydrogène (—H). L'hydrolyse est le processus inverse : c'est la séparation des monomères via l'ajout d'une molécule d'eau, l'un gagnant un (—OH), l'autre un (—H).
La majeure partie de la matière organique présente dans nos aliments se compose de polymères beaucoup trop volumineux pour rentrer dans nos cellules. Dans le tube digestif, diverses enzymes accélèrent l'hydrolyse des polymères, et les monomères ainsi libérés traversent la paroi du tube digestif et passent dans la circulation sanguine, qui les distribue à toutes les cellules de l'organisme. Les cellules peuvent alors faire appel aux réactions de déshydratation pour assembler les monomères en nouveaux polymères qui répondent à leurs besoins particuliers.
Chaque cellule contient des milliers de macromolécules différentes, et la diversité des macromolécules dans le monde vivant est considérable. Pourtant, les polymères ne s'élaborent qu'à partir de 40 ou 50 monomères communs ; tout est dans l'assemblage.
1. Les glucides
Les monosaccharides sont les glucoses les plus simples. Ils ont habituellement des formules moléculaires qui sont des multiples de CH₂O. Le glucose (C₆H₁₂O₆), le monosaccharide le plus courant, joue un rôle capital dans la chimie des êtres vivants. Il a la structure typique d'un glucide : la molécule possède un groupement carbonyle (>C=O) et de nombreux groupements hydroxyles (—OH).
Les monosaccharides sont classés selon deux axes : le placement de la chaine carbonyle et le nombre d'atomes de la chaine carbone, qui varie entre trois et sept (mais trois, cinq et six sont les plus courants) :
- Les aldoses ont un groupement carbonyle à l'extrémité de la chaine de carbone
- Les cétoses ont un groupement carboné à l'intérieur de la chaine de carbone
- Les trioses ont une chaine de 3 atomes de carbone
- Les pentoses ont une chaine de 5 atomes de carbone
- Les hexoses ont une chaine de 6 atomes de carbone
De plus, l'arrangement spatial autour d'un atome de carbone parfois asymétrique contribue à la diversité des monosaccharides, qui forment de nombreux isomères. Par exemple, le glucose et le galactose, tous deux aldoses et hexoses, diffèrent seulement par la disposition de leurs groupements hydroxyle autour d'un carbone asymétrique.
On représente souvent le glucose sous forme de chaine carbonée linéaire, mais dans une solution aqueuse, les molécules de glucose se présentent surtout sous forme cylindrique. Il y a de nombreuses façons de représenter une molécule, mais globalement, dans une représentation cyclique, chaque sommet du cycle représente un atome de carbone (qui n'est pas autrement marqué).
Lorsque l'énergie ou les atomes de carbone des monosaccharides n'est pas directement utilisée pour le travail cellulaire, ils s'incorporent à titre de monomère à des disaccharides ou à des polysaccharides. Un disaccharide se compose de deux monosaccharides unis par liaison covalente, ou liaison glycosidique, qui se forme lors d'une réaction de déshydratation. Par exemple, le disaccharide le plus commun est le saccharose : c'est la combinaison par réaction de déshydratation de deux monomères, une molécule de glucose et une molécule de fructose. C'est sous forme de saccharose que les glucides élaborés dans les feuilles des plantes se rendent jusqu'aux racines et aux autres organes non photosynthétiques.
L'intolérance au lactose est causée par l'absence de lactase, l'enzyme qui dégrade le lactose en ses deux monomères : une molécule de glucose et une molécule de galactose.
Les polysaccharides sont des macromolécules composées de centaines ou de milliers de monosaccharides unis par des liaisons glycosidiques. Certains sont des polysaccharides de réserve. Les végétaux emmagasinent ainsi l'amidon, un polymère formé de glucose. La cellule végétale peut ultérieurement puiser dans ces réserves en faisant appel à des réactions d'hydrolyse qui rompent les liaisons entre les monomères de glucose. La plupart des animaux possèdent également des enzymes hydrolysant l'amidon pour libérer du glucose qui servira aux cellules.
La plupart des monomères du glucose qui composent l'amidon sont unis par des liaisons glycosidiques 1-4 (entre le carbone 1 d'une molécule de glucose et le carbone 4 de la suivante). Mais l'amidon a deux composants : l'amylose est une chaîne linéaire de molécules de glucose liées par des liaisons 1-4 et est constitué d'une chaine non ramifiée, et l'amylopectine est faite d'une chaine ramifiée avec des liaisons glycosidiques 1-6.
Les animaux emmagasinent un polysaccharide appelé glycogène, un polymère du glucose semblable à l'amylopectine, mais plus ramifié. Les vertébrés emmagasinent du glycogène principalement dans les cellules du foie et dans les muscles. La structure très ramifiée du glycogène sert à offrir davantage d'extrémités libres pouvant subir l'hydrolyse ; ce qui la rend consommable plus rapidement. Chez les humains, la réserve de glycogène s'épuise en un jour sans aliment supplémentaire.
Les polysaccharides structuraux servent à fabriquer des matériaux solides. Par exemple, le polysaccharide appelé cellulose est à l'origine de la résistance de la paroi des cellules végétales. C'est le composé organique le plus abondant sur Terre. Il a comme l'amidon des liaisons glycosidiques 1-4, mais le cycle du glucose y existe sous deux formes : le groupement hydroxyle lié au carbone 1 peut se situer au-dessous (α), soit au-dessus (β) du plan de l'anneau. Dans l'amidon, tous les monomètres de glucose ont une formation α, mais dans la cellulose, tous prennent la configuration β, et dans ce cas, tous les monomères d'une chaine sont inversés par rapport au précédent et au suivant.
Donc, les molécules d'amidon et de cellulose diffèrent par leur structure tridimensionnelle. La molécule de cellulose est toujours droite, jamais ramifiée, et certains de ses groupements hydroxyles peuvent former des liaisons hydrogène avec des groupements hydroxyles d'autre molécules de cellulose parallèles : ces molécules de cellulose parallèles s'appellent microfibrilles. Peu d'organismes possèdent des enzymes capables d'hydrolyser la cellulose, mais la plupart des fibres insolubles, qui ne sont pas des nutriments, font néanmoins partie d'un régime alimentaire sain pour les humains.
Par exemple, chez les vaches, ce sont des microorganismes présents dans les premiers compartiments de leur estomac qui digèrent la cellulose. De même pour les termites, qui hébergent des microorganismes dans leur intestin.
La chitine est également un polysaccharide structural important : les arthropodes la synthétisent pour construire leur exosquelette. C'est aussi chez les champignons l'équivalent de la cellulose.
2. Les lipides
Les lipides sont des composés regroupés autour d'une caractéristique commune importante : ils ne se mélangent pas, sinon très peu, avec l'eau. Ils ont en majeure partie constitués d'hydrocarbures, donc de chaines carbonées non polaires. Leur comportement hydrophobe repose sur leur structure moléculaire : les molécules d'eau n'établissent pas de liaison hydrogène entre leurs atomes. C'est un groupe hétérogène.
Les triglycérides sont de grosses molécules construites à partir de molécules plus petites qui s'associent par réaction de déshydratation. Un triglycéride se compose de deux types de molécules : glycérol et acides gras.
- Le glycérol est un alcool à trois atomes de carbone portant chacun un groupement hydroxyle.
- Chaque acide gras possède une longue chaine d'hydrocarbures qui compte habituellement de 16 à 18 atomes de carbone.
Un triglycéride se forme lorsque trois molécules d'acide gras s'unissent par liaison ester avec une molécule commune de glycérol. (Une liaison ester est une liaison résultant d'une réaction de déshydratation entre un groupement hydroxyle et un groupement carboxyle.)
- Un acide gras saturé n'a pas de liaisons doubles entre les atomes du squelette carbone, donc un maximum d'atomes d'hydrogène est lié à l'acide gras. Une telle structure est dite saturée d'hydrogène.
- Un acide gras insaturé renferme une plusieurs liaisons doubles, il y a donc un atome d'hydrogène en moins sur chaque carbone engagé dans une telle liaison. On parle d'acide gras mono-insaturé (une seule liaison double) ou polyinsaturé (deux liaisons doubles ou plus).
Presque toutes les liaisons doubles dans les acides gras d'origine naturelle prennent une configuration cis, ce qui crée un angle dans la chaine d'hydrocarbures partout où elles s'établissent. C'est pour cette raison que les triglycérides animaux saturés (saindoux, beurre, "graisse") sont solides à température ambiante : leurs chaines droites et flexibles permet aux molécules de s'agglomérer fermement. En revanche, les triglycérides végétaux et ceux des poissons sont généralement insaturés. Dans une huile, les liaisons doubles cis forment des angles prononcés qui empêchent les molécules de s'agglomérer pour former un solide à température ambiante. L'expression "huile végétale hydrogénée" signifie que des triglycérides insaturés ont été transformés en triglycérides plus ou moins saturés par l'addition d'hydrogène via procédé industriel, ce qui leur permet de rester solide à plus haute température. On utilise aussi ce procédé pour empêcher la séparation du gras dans des matières comme le beurre d'arachides.
La fonction principale des triglycérides est d'emmagasiner de l'énergie. Les animaux doivent être mobiles, il est donc avantageux pour eux d'avoir des réserves plus compactes : les triglycérides solides.
Les phospholipides composent les membranes cellulaires dans une large proportion. Ils ressemblent aux acides gras, mais ne possèdent que deux acides gras au lieu de trois. Le troisième groupement hydroxyle du glycérol est lié à un groupement phosphate porteur de charges négatives. Des molécules additionnelles, chargées ou polaires, peuvent venir se lier à ce groupement phosphate, ce qui permet la formation de phospholipides diversifiés qui confèrent aux membranes des propriétés importantes.
Les queues hydrocarbonées des phospholipides sont hydromorphes et isolées de l'eau, mais le groupement phosphate et les molécules qui s'y rattachent forment une tête hydrophile. Les queues hydrophobes leur permettent de former une frontière capitale entre la cellule et son environnement, sous forme de bicouches dont chaque couche pointe dans une direction opposée : les queues hydrophobes se rejoignent par leurs extrémités et les têtes hydrophiles forment les surfaces intérieures et extérieures de la bicouche.
Les stéroïdes sont classés parmi les lipides en raison de leur faible affinité pour l'eau et non à cause de leur structure ; ces molécules se différencient des graisses et des huiles par leur squelette carboné formé de quatre cycles accolés. Par exemple, le cholestérol, un type de stéroïde, est une molécule essentielle aux animaux
3. Les protéines
Chez les êtres vivants, la quasi-totalité des fonctions dynamiques dépend des protéines. Le mot vient du grec protos, qui signifie premier, essentiel. On peut commencer par résumer les fonctions variées des protéines :
- Protéines enzymatiques. Accélération de la vitesse des réactions chimiques : elles agissent comme catalyseur. Les enzymes ne changent pas elles-mêmes au cours de ce processus.
- Protéines de défense. Protection contre maladies (les anticorps par exemple).
- Protéines d'entreposage. Mise en réserve d'acides aminés. Par exemple, la caséine, une protéine du lait, est la principale source d'acides aminés des petits des mammifères avant leur sevrage. Il y a le même principe dans le blanc d'œuf, dans les graines...
- Protéines de transport. Transport de substances. Par exemple, l'hémoglobine transporte l'oxygène des poumons vers les différentes parties de l'organisme. D'autres protéines de transport font passer les molécules à travers la paroi cellulaire.
- Protéines hormonales. Coordination des activités d'un organisme. Par exemple, l'insuline, hormone sécrétée par le pancréas, provoque l’absorption de glucose par les autres tissus.
- Protéines réceptrices. Réaction des cellules à des stimulus chimiques grâce à d'autres molécules messagères.
- Protéines contractiles et motrices. La contraction des muscles !
- Protéines structurales. Soutien, structure.
L'être humain possède des dizaines de milliers de protéines différentes. Sur le plan de la structure, ce sont les molécules les plus complexes que l'on connaisse. Toutes sont élaborées à partir du même ensemble de 20 acides aminés reliés à des polymères non ramifiés. La liaison entre les acides aminés de ces polymères porte le nom de liaison peptidique ; les polymères d'acides aminés se nomment polypeptides. Une protéine est une molécule biologique fonctionnelle constitués d'un ou plusieurs polypeptides, chacun étant enroulé et replié dans une structure tridimensionnelle spécifique.
Un acide aminé est une molécule organique qui possède des groupements carboxyle et amine. Quasiment tous portent en leur centre un atome carbone asymétrique nommé carbone alpha (α). Sur cet atome se fixent quatre atomes ou groupes d'atomes différents :
- Un groupement amine
- Un groupement carboxyle
- Un atome d'hydrogène
- Un radical variable symbole R aussi appelé chaine latérale (peut aller d'un simple atome d’hydrogène dans la glycine à des chaines carbonées complexes)
Les propriétés physiques et chimiques de la chaine latérale déterminent des caractéristiques d'un acide aminé. Les 20 acides aminés (détaillés p.85) sont classés en plusieurs groupes :
- Ceux dont la chaine latérale est non polaire donc hydrophobe
- Ceux dont la chaine latérale est polaire donc hydrophile
- Ceux dont les chaines latérales sont ionisées : acides (chargés négativement) ou basiques (chargées positivement)
Lorsque deux acides aminés sont placés de telle sorte que le groupement carboxyle de l'un se trouve à côté du groupement amine de l'autre, une réaction de déshydratation peut provoquer leur union avec perte d'une molécule d'eau. Une liaison covalente s'établit alors entre eux, c'est la liaison peptidique. Quand cette réaction se produit plusieurs fois, on obtient un polypeptide, polymère constitué de nombreux acides aminés unis par des liaisons peptidiques. La structure répétitive des atomes se nomme chaine polypeptidique, c'est elle qui porte les chaines latérales ou radicaux. Les possibilités de variation sont considérables. Les polypeptides sont entortillés, pliés, enroulés, ce contribue à créer des molécules de formes uniques. Lorsqu'une cellule synthétise un polypeptide, la chaine polypeptidique se replie spontanément et adopte la structure fonctionnelle convenant à la protéine. Certaines protéines sont grossièrement sphériques (protéines globulaires), tandis que d'autres prennent la forme de longues fibres (protéines fibreuses).
Les nivaux d'organisation des protéines (p.88-89) :
- La structure primaire d'une protéine correspond à sa séquence d'acides aminés. Par exemple, pour la transthyrétine, il s'agit de quatre chaines identiques de 127 acides aminés bien spécifiques. cette structure primaire est déterminée par l'information génétique qui préside à son assemblage.
- La structure secondaire est constituée des enroulages ou pliages de certains segments de la chaine polypeptidique. Ils sont causés par des liaisons hydrogène qui se forment le long de la structure répétitives d'une même chaine polypeptidique. Seuls les atomes d'oxygène et d'hydrogène participent à ces liaisons. Par exemple, l'hélice alpha (α) est un enroulement délicat maintenu en place par des liaisons hydrogène tous les quatre acides aminés. Avec le feuillet plissé bêta (β), deux ou plusieurs brins de la même chaine polypeptidique repliée se déploient côte-à-côte, toujours grâce à des liaisons hydrogène. Cet agencement joue un rôle sur la stabilité des molécules, notamment dans les fils d'araignée.
- La structure tertiaire correspond à la forme globale de la chaine polypeptidique et se superpose, s'ajoute, à la structure secondaire. Cette forme globale découle des interactions entre les différentes chaines latérales d'acides aminés différents. Les interactions qui aident à stabiliser la structure tertiaire sont les interactions hydrophobes (l'exclusion des molécules d'eau lorsque des molécules non polaires se rapprochent). Une fois fois que les chaines latérales non polaires des acides aminés se font face, les forces de Van der Waals contribuent à les maintenir ensemble. Aident également les liaisons hydrogène entre les chaines latérales polaires et les liaisons ioniques entre les chaines latérales chargées + ou -. On trouve aussi des ponts disulfures, qui se forment quand deux monomères de cystéine, un acide aminé portant un groupement thiol (— SH) dans sa chaine latérale, se rapprochent l'un de l'autre lors du repliement de la protéine. Le souffre d'un monomère de cystéine se lie alors au souffre de l'autre, et ce pont disulfure (—S—S—) assure la cohésion de certaines parties de la protéine.
- La structure quaternaire est la structure générale d'une protéine : l'ensemble des chaines polypeptidiques et la forme qui en découle. Et c'est par cette structure que chaque protéine accomplit ses fonctions.
Parfois, un changement mineur dans la structure primaire d'une protéine, c'est-à-dire le remplacement de quelques acides aminés, peut avoir d'importantes conséquences négatives. Par exemple, l'anémie à hématies falciformes est une maladie sanguine héréditaire causée par la substitution d'un seul acide aminé : suite à cette modification structurale, les globules rouges prennent alors la forme de croissants, causant plein de problèmes.
Si le pH, la concentration en sels, la température ou d'autres facteurs changent, les liaisons chimiques faibles et les interactions au sein d'une protéine risquent d'être modifiées ou même de se rompre. La protéine peut se dérouler et perdre sa forme originelle ; elle subit alors une dénaturation et devient biologiquement inactive. Par exemple, c'est pour cette raison que le blanc d'œuf devient opaque à la cuisson : les protéines sont dénaturées par la chaleur, deviennent insolubles et coagulent. C'est aussi pourquoi une forte fièvre peut être fatale : la température dénature les protéines du sang.
Les biochimistes connaissent à présent la séquence des acides aminés de plus de 65 millions de protéines et la forme tridimensionnelle de plus de 50 000 protéines. De nombreuses maladies semblent associées à des repliements inappropriés de protéines. La méthode la plus utilisée (parmi d'autres) pour déterminer la structure tridimensionnelle d'une protéine est la cristallographie par diffraction de rayons X.
L'ADN est le matériel génétique que les parents lèguent à leur progéniture. Chaque chromosome contient une longue molécule d'ADN qui porte des centaines de gènes ou plus. Quand une cellule se reproduit en se divisant, ses molécules d'ADN sont copiées et transmises à la génération suivante. Les instructions qui programment toute l'activité de la cellule sont encodées dans la structure de l'ADN. C'est l'ARN qui sert d'intermédiaire à l'expression génétique. Un gène présent dans la molécule d'ADN peut diriger la synthèse d'un type d'ARN, l'ARN messager, ou ARNm. C'est l'ARNm, synthétisé dans le noyau, qui interagit avec le mécanisme de la synthèse protéinique dans le cytoplasme pour diriger la production d'un polypeptide qui se replie pour former une protéine complète ou une partie de protéine. En somme :
ADN → ARN → protéine
Les sites de la synthèse protéique sont des structures cellulaires appelées ribosomes, qui, dans une cellule eucaryote, baignent dans le cytoplasme. Les cellules procaryotes, elles n'ont pas de noyau, mais le processus est le même.
Les acides nucléiques sont des macromolécules qui existent sous forme de polymères appelés polynucléotides. Comme son nom l'indique, chaque polynucléotide se compose de monomères nommés nucléotides. Un nucléotide est généralement composé de trois parties :
- Un monosaccharide à cinq atomes de carbone (un pentose)
- Une base contenant de l'azote (base azotée) ; ce sont les "lettres" de l'ADN
- Un ou plusieurs groupements phosphate
- Les pyrimidines possèdent un seul cycle contenant quatre atomes de carbone et deux d'azote ; ce sont la cytosine (C), la thymine (T) et l'uracile (U).
- Les purines ont une masse moléculaire plus importante, car elles se composent d'un cycle de six atomes accolé à un autre de cinq ; ce sont l'adénine (A) et la guanine (G).
Ces A, T, C et G sont les "lettres" des gènes, les bases azotées qui "écrivent" l'information génétique. (Le U n'est que dans l'ARN.) Lorsqu'on parle de la séquence d'un gène, on décrit l'ordre spécifique de ces bases azotées dans une région particulière de l'ADN. Par exemple, une séquence génétique pourrait ressembler à quelque chose comme ATCGGCTA.
Les molécules d'ADN se composent de deux chaines de nucléotides, ou brins, enroulées en spirale autour d'un axe central de façon à former une double hélice. Les deux chaines hélicoïdales s'enroulent dans des directions opposées 5' → 3' ; on qualifie cet arrangement d'antiparallèle. C'est comme une route à deux voies de sens contraire. Les deux "squelettes" désoxyribose-phosphate se trouvent sur les bordures extérieures de l'hélice, alors que les bases azotées s'apparient à l'intérieur de l'hélice. Les deux brins demeurent attachés ensemble grâce aux deux ou trois liaisons hydrogène qui unissent les bases azotées appariées. La majorité des molécules d'ADN possèdent des milliers voire des millions de paires de bases reliant les deux chaines.
Lors de l'appariement des bases dans la double hélice, chacune des bases azotées a un complément exclusif, une purine étant toujours unie à une pyrimidine : A dans un brin forme toujours une paire avec T dans l'autre brin, et G avec C. Donc, en lisant la séquence d'un des brins, on peut déduire la séquence de l'autre. Les deux brins sont complémentaires. Ainsi, lors de la division cellulaire, cette règle de complémentarité permet de reproduire l'ADN.
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