2.3 : Molécules biologiques
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Les grosses molécules nécessaires à la vie qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites sont appelées macromolécules biologiques. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques), chacune étant un composant important de la cellule et remplissant un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majeure partie de la masse d'une cellule. Les macromolécules biologiques sont organiques, c'est-à-dire qu'elles contiennent du carbone (à quelques exceptions près, comme le dioxyde de carbone). De plus, ils peuvent contenir de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote, du phosphore, du soufre et d'autres éléments mineurs.
Carbone
On dit souvent que la vie est « basée sur le carbone ». Cela signifie que les atomes de carbone, liés à d'autres atomes de carbone ou à d'autres éléments, constituent les composants fondamentaux de nombreuses molécules, sinon de la plupart, présentes uniquement dans les êtres vivants. D'autres éléments jouent un rôle important dans les molécules biologiques, mais le carbone est certainement considéré comme l'élément « de base » des molécules des êtres vivants. Ce sont les propriétés de liaison des atomes de carbone qui sont responsables de son rôle important.
Liaison au carbone
Le carbone contient quatre électrons dans sa coque extérieure. Il peut donc former quatre liaisons covalentes avec d'autres atomes ou molécules. La molécule de carbone organique la plus simple est le méthane (CH 4), dans lequel quatre atomes d'hydrogène se lient à un atome de carbone (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Cependant, les structures plus complexes sont réalisées à partir de carbone. N'importe lequel des atomes d'hydrogène peut être remplacé par un autre atome de carbone lié par covalence au premier atome de carbone. De cette manière, des chaînes longues et ramifiées de composés carbonés peuvent être fabriquées (Figure\(\PageIndex{2}\) a). Les atomes de carbone peuvent se lier à des atomes d'autres éléments, tels que l'azote, l'oxygène et le phosphore (Figure\(\PageIndex{2}\) b). Les molécules peuvent également former des cycles, qui eux-mêmes peuvent être liés à d'autres cycles (Figure\(\PageIndex{2}\) c). Cette diversité de formes moléculaires explique la diversité des fonctions des macromolécules biologiques et repose dans une large mesure sur la capacité du carbone à former de multiples liaisons avec lui-même et avec d'autres atomes.
Les glucides
Les glucides sont des macromolécules que la plupart des consommateurs connaissent assez bien. Pour perdre du poids, certaines personnes adhèrent à des régimes « faibles en glucides ». Les athlètes, en revanche, font souvent le plein de glucides avant les compétitions importantes afin de s'assurer qu'ils ont suffisamment d'énergie pour concourir à un haut niveau. Les glucides constituent en fait une partie essentielle de notre alimentation ; les céréales, les fruits et les légumes sont tous des sources naturelles de glucides. Les glucides fournissent de l'énergie à l'organisme, notamment par le biais du glucose, un sucre simple. Les glucides ont également d'autres fonctions importantes chez les humains, les animaux et les plantes.
Les glucides peuvent être représentés par la formule (CH 2 O) n, où n est le nombre d'atomes de carbone dans la molécule. En d'autres termes, le rapport carbone/hydrogène/oxygène est de 1:2:1 dans les molécules de glucides. Les glucides sont classés en trois sous-types : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.
Les monosaccharides (mono- = « un » ; sacchar- = « sucré ») sont des sucres simples, dont le plus courant est le glucose. Dans les monosaccharides, le nombre d'atomes de carbone est généralement compris entre trois et six. La plupart des noms de monosaccharides se terminent par le suffixe -ose. Selon le nombre d'atomes de carbone contenus dans le sucre, ils peuvent être appelés trioses (trois atomes de carbone), pentoses (cinq atomes de carbone) et hexoses (six atomes de carbone).
Les monosaccharides peuvent exister sous forme de chaîne linéaire ou de molécules en forme d'anneau ; dans les solutions aqueuses, ils se trouvent généralement sous forme de cycles.
La formule chimique du glucose est C 6 H 12 O 6. Chez la plupart des espèces vivantes, le glucose est une source d'énergie importante. Pendant la respiration cellulaire, de l'énergie est libérée par le glucose et cette énergie est utilisée pour aider à fabriquer de l'adénosine triphosphate (ATP). Les plantes synthétisent le glucose à l'aide de dioxyde de carbone et d'eau par le processus de photosynthèse, et le glucose, à son tour, est utilisé pour les besoins énergétiques de la plante. L'excès de glucose synthétisé est souvent stocké sous forme d'amidon qui est décomposé par d'autres organismes qui se nourrissent de plantes.
Le galactose (partie du lactose ou sucre du lait) et le fructose (présent dans les fruits) sont d'autres monosaccharides courants. Bien que le glucose, le galactose et le fructose aient tous la même formule chimique (C 6 H 12 O 6), ils diffèrent structurellement et chimiquement (et sont connus sous le nom d'isomères) en raison de la disposition différente des atomes dans la chaîne carbonée (Figure\(\PageIndex{3}\)).
Les disaccharides (di- = « deux ») se forment lorsque deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (réaction au cours de laquelle une molécule d'eau est éliminée). Au cours de ce processus, le groupe hydroxyle (—OH) d'un monosaccharide se combine à l'atome d'hydrogène d'un autre monosaccharide, libérant une molécule d'eau (H 2 O) et formant une liaison covalente entre les atomes des deux molécules de sucre.
Les disaccharides courants incluent le lactose, le maltose et le saccharose. Le lactose est un disaccharide composé des monomères glucose et galactose. On le trouve naturellement dans le lait. Le maltose, ou sucre de malt, est un disaccharide formé par une réaction de déshydratation entre deux molécules de glucose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, ou sucre de table, qui est composé des monomères glucose et fructose.
Une longue chaîne de monosaccharides liés par des liaisons covalentes est connue sous le nom de polysaccharide (poly- = « plusieurs »). La chaîne peut être ramifiée ou non, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Les polysaccharides peuvent être de très grosses molécules. L'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont des exemples de polysaccharides.
L'amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composé d'amylose et d'amylopectine (deux polymères du glucose). Les plantes sont capables de synthétiser du glucose, et l'excès de glucose est stocké sous forme d'amidon dans différentes parties de la plante, y compris les racines et les graines. L'amidon consommé par les animaux est décomposé en molécules plus petites, comme le glucose. Les cellules peuvent alors absorber le glucose.
Le glycogène est la forme de stockage du glucose chez les humains et les autres vertébrés. Il est composé de monomères du glucose. Le glycogène est l'équivalent animal de l'amidon et est une molécule hautement ramifiée habituellement stockée dans les cellules du foie et des muscles. Chaque fois que le taux de glucose diminue, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose.
La cellulose est l'un des biopolymères naturels les plus abondants. Les parois cellulaires des plantes sont principalement constituées de cellulose, qui fournit un support structurel à la cellule. Le bois et le papier sont principalement de nature cellulosique. La cellulose est composée de monomères de glucose liés par des liaisons entre des atomes de carbone particuliers de la molécule de glucose.
Tous les autres monomères de glucose présents dans la cellulose sont retournés et emballés étroitement sous forme de longues chaînes allongées. Cela confère à la cellulose sa rigidité et sa haute résistance à la traction, ce qui est très important pour les cellules végétales. La cellulose qui traverse notre système digestif est appelée fibre alimentaire. Bien que les enzymes digestives humaines ne puissent pas décomposer les liaisons glucose-glucose de la cellulose, les herbivores tels que les vaches, les buffles et les chevaux sont capables de digérer l'herbe riche en cellulose et de l'utiliser comme source de nourriture. Chez ces animaux, certaines espèces de bactéries résident dans le rumen (partie du système digestif des herbivores) et sécrètent l'enzyme cellulase. L'annexe contient également des bactéries qui décomposent la cellulose, ce qui lui confère un rôle important dans le système digestif des ruminants. Les cellulases peuvent décomposer la cellulose en monomères de glucose qui peuvent être utilisés comme source d'énergie par l'animal.
Les glucides ont d'autres fonctions chez différents animaux. Les arthropodes, tels que les insectes, les araignées et les crabes, possèdent un squelette externe, appelé exosquelette, qui protège les parties internes de leur corps. Cet exosquelette est constitué de la macromolécule biologique chitine, un hydrate de carbone azoté. Il est composé d'unités récurrentes d'un sucre modifié contenant de l'azote.
Ainsi, grâce à des différences de structure moléculaire, les glucides peuvent remplir des fonctions très différentes de stockage d'énergie (amidon et glycogène) et de soutien et de protection structuraux (cellulose et chitine) (Figure\(\PageIndex{4}\)).
DES CARRIÈRES EN ACTION : Diététiste agréée
L'obésité est un problème de santé mondial et de nombreuses maladies, telles que le diabète et les maladies cardiaques, sont de plus en plus répandues en raison de l'obésité. C'est l'une des raisons pour lesquelles les conseils des diététistes professionnels sont de plus en plus sollicités. Les diététistes agréés aident à planifier des programmes alimentaires et nutritionnels pour les individus dans divers contextes. Ils travaillent souvent avec les patients dans les établissements de santé et élaborent des plans nutritionnels pour prévenir et traiter les maladies. Par exemple, les diététistes peuvent enseigner à un patient diabétique comment gérer son taux de sucre dans le sang en consommant les bons types et quantités de glucides. Les diététistes peuvent également travailler dans des maisons de retraite, des écoles et des cabinets privés.
Pour devenir diététiste agréé, il faut obtenir au moins un baccalauréat en diététique, en nutrition, en technologie alimentaire ou dans un domaine connexe. De plus, les diététistes agréés doivent suivre un programme de stage supervisé et réussir un examen national. Les personnes qui poursuivent une carrière en diététique suivent des cours de nutrition, de chimie, de biochimie, de biologie, de microbiologie et de physiologie humaine. Les diététistes doivent devenir des experts de la chimie et des fonctions des aliments (protéines, glucides et graisses).
Lipides
Les lipides comprennent un groupe diversifié de composés unis par une caractéristique commune. Les lipides sont hydrophobes (« craignant l'eau ») ou insolubles dans l'eau, car ce sont des molécules non polaires. En effet, ce sont des hydrocarbures qui ne contiennent que des liaisons non polaires carbone-carbone ou carbone-hydrogène. Les lipides remplissent de nombreuses fonctions différentes dans une cellule. Les cellules emmagasinent de l'énergie pour une utilisation à long terme sous forme de lipides appelés graisses. Les lipides isolent également les plantes et les animaux de l'environnement (Figure\(\PageIndex{5}\)). Par exemple, ils aident à garder les oiseaux et les mammifères aquatiques au sec en raison de leur nature hydrofuge. Les lipides sont également les éléments constitutifs de nombreuses hormones et constituent un constituant important de la membrane plasmique. Les lipides comprennent les graisses, les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes.
Une molécule de graisse, telle qu'un triglycéride, est composée de deux composants principaux : le glycérol et les acides gras. Le glycérol est un composé organique comportant trois atomes de carbone, cinq atomes d'hydrogène et trois groupes hydroxyle (—OH). Les acides gras ont une longue chaîne d'hydrocarbures à laquelle est attaché un groupe carboxyle acide, d'où le nom « acide gras ». Le nombre de carbones dans l'acide gras peut varier de 4 à 36 ; les plus courants sont ceux contenant de 12 à 18 atomes de carbone. Dans une molécule de graisse, un acide gras est attaché à chacun des trois atomes d'oxygène des groupes —OH de la molécule de glycérol par une liaison covalente (Figure\(\PageIndex{6}\)).
Au cours de cette formation de liaison covalente, trois molécules d'eau sont libérées. Les trois acides gras contenus dans la matière grasse peuvent être similaires ou différents. Ces graisses sont également appelées triglycérides car elles contiennent trois acides gras. Certains acides gras ont des noms communs qui précisent leur origine. Par exemple, l'acide palmitique, un acide gras saturé, est dérivé du palmier. L'acide arachidique est dérivé d'Arachis hypogaea, le nom scientifique des arachides.
Les acides gras peuvent être saturés ou insaturés. Dans une chaîne d'acides gras, s'il n'y a que des liaisons simples entre les carbones voisins de la chaîne hydrocarbonée, l'acide gras est saturé. Les acides gras saturés sont saturés en hydrogène ; en d'autres termes, le nombre d'atomes d'hydrogène attachés au squelette carboné est maximisé.
Lorsque la chaîne hydrocarbonée contient une double liaison, l'acide gras est un acide gras insaturé.
La plupart des graisses insaturées sont liquides à température ambiante et sont appelées huiles. S'il existe une double liaison dans la molécule, on parle alors de graisse monoinsaturée (par exemple, huile d'olive), et s'il y a plus d'une double liaison, on parle de graisse polyinsaturée (par exemple, huile de canola).
Les graisses saturées ont tendance à se tasser hermétiquement et sont solides à température ambiante. Les graisses animales contenant de l'acide stéarique et de l'acide palmitique contenues dans la viande, et la graisse contenant de l'acide butyrique contenue dans le beurre sont des exemples de graisses saturées. Les mammifères stockent les graisses dans des cellules spécialisées appelées adipocytes, où les globules gras occupent la majeure partie de la cellule. Dans les plantes, la graisse ou l'huile sont stockées dans les graines et sont utilisées comme source d'énergie pendant le développement embryonnaire.
Les graisses ou huiles insaturées sont généralement d'origine végétale et contiennent des acides gras insaturés. La double liaison provoque une courbure ou un « pli » qui empêche les acides gras de se tasser étroitement, les maintenant liquides à température ambiante. Les huiles d'olive, de maïs, de canola et de foie de morue sont des exemples de graisses insaturées. Les graisses insaturées contribuent à améliorer le taux de cholestérol sanguin, tandis que les graisses saturées contribuent à la formation de plaques dans les artères, ce qui augmente le risque de crise cardiaque.
Dans l'industrie alimentaire, les huiles sont hydrogénées artificiellement pour les rendre semi-solides, ce qui permet de réduire leur détérioration et d'augmenter leur durée de conservation. En termes simples, de l'hydrogène est projeté dans les huiles pour les solidifier. Au cours de ce processus d'hydrogénation, les doubles liaisons de la conformation cis dans la chaîne hydrocarbonée peuvent être converties en doubles liaisons dans la conformation trans. Cela forme un gras trans à partir d'un gras cis. L'orientation des doubles liaisons affecte les propriétés chimiques de la matière grasse (Figure\(\PageIndex{7}\)).
La margarine, certains types de beurre d'arachide et le shortening sont des exemples de gras trans hydrogénés artificiellement. Des études récentes ont montré qu'une augmentation des acides gras trans dans l'alimentation humaine peut entraîner une augmentation des taux de lipoprotéines de basse densité (LDL), ou « mauvais » cholestérol, ce qui, à son tour, peut entraîner le dépôt de plaques dans les artères et provoquer des maladies cardiaques. De nombreux restaurants de restauration rapide ont récemment éliminé l'utilisation de gras trans, et les étiquettes des aliments américains doivent désormais indiquer leur teneur en gras trans.
Les acides gras essentiels sont des acides gras dont le corps humain a besoin mais qui ne sont pas synthétisés. Par conséquent, ils doivent être complétés par l'alimentation. Les acides gras oméga-3 entrent dans cette catégorie et sont l'un des deux seuls acides gras essentiels connus pour les humains (l'autre étant les acides gras oméga-6). Il s'agit d'un type de gras polyinsaturé et sont appelés acides gras oméga-3 parce que le troisième carbone à partir de l'extrémité de l'acide gras participe à une double liaison.
Le saumon, la truite et le thon sont de bonnes sources d'acides gras oméga-3. Les acides gras oméga-3 sont importants pour le fonctionnement du cerveau ainsi que pour la croissance et le développement normaux. Ils peuvent également prévenir les maladies du cœur et réduire le risque de cancer.
Comme les glucides, les graisses ont fait l'objet d'une mauvaise publicité. Il est vrai que manger un excès d'aliments frits et d'autres aliments « gras » entraîne une prise de poids. Cependant, les graisses ont des fonctions importantes. Les graisses servent de stockage d'énergie à long terme. Ils fournissent également une isolation pour le corps. Par conséquent, des graisses insaturées « saines » en quantité modérée doivent être consommées régulièrement.
Les phospholipides sont les principaux constituants de la membrane plasmique. Comme les graisses, elles sont composées de chaînes d'acides gras attachées à un glycérol ou à un squelette similaire. Au lieu de trois acides gras attachés, il existe toutefois deux acides gras et le troisième carbone du squelette du glycérol est lié à un groupe phosphate. Le groupe phosphate est modifié par l'ajout d'un alcool.
Un phospholipide possède à la fois des régions hydrophobes et hydrophiles. Les chaînes d'acides gras sont hydrophobes et s'excluent de l'eau, tandis que le phosphate est hydrophile et interagit avec l'eau.
Les cellules sont entourées d'une membrane contenant une bicouche de phospholipides. Les acides gras des phospholipides sont orientés vers l'intérieur, loin de l'eau, tandis que le groupe phosphate peut faire face à l'environnement extérieur ou à l'intérieur de la cellule, qui sont tous deux aqueux.
Stéroïdes et cires
Contrairement aux phospholipides et aux graisses discutés précédemment, les stéroïdes ont une structure cyclique. Bien qu'ils ne ressemblent pas aux autres lipides, ils sont regroupés avec eux car ils sont également hydrophobes. Tous les stéroïdes ont quatre cycles carbonés liés et plusieurs d'entre eux, comme le cholestérol, ont une courte queue.
Le cholestérol est un stéroïde. Le cholestérol est principalement synthétisé dans le foie et est le précurseur de nombreuses hormones stéroïdiennes, telles que la testostérone et l'estradiol. C'est également le précurseur des vitamines E et K. Le cholestérol est le précurseur des sels biliaires, qui contribuent à la dégradation des graisses et à leur absorption ultérieure par les cellules. Bien que l'on parle souvent du cholestérol en termes négatifs, il est nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme. C'est un composant clé des membranes plasmiques des cellules animales.
Les cires sont constituées d'une chaîne hydrocarbonée comportant un groupe alcool (—OH) et un acide gras. La cire d'abeille et la lanoline sont des exemples de cires animales. Les plantes contiennent également de la cire, comme le revêtement de leurs feuilles, qui les empêche de se dessécher.
CONCEPT EN ACTION
Pour une perspective supplémentaire sur les lipides, explorez « Les biomolécules : les lipides » à travers cette animation interactive.
Les protéines
Les protéines sont l'une des molécules organiques les plus abondantes des systèmes vivants et possèdent la gamme de fonctions la plus diversifiée de toutes les macromolécules. Les protéines peuvent être structurales, régulatrices, contractiles ou protectrices ; elles peuvent servir au transport, au stockage ou aux membranes ; ou elles peuvent être des toxines ou des enzymes. Chaque cellule d'un système vivant peut contenir des milliers de protéines différentes, chacune ayant une fonction unique. Leurs structures, tout comme leurs fonctions, varient considérablement. Ce sont cependant tous des polymères d'acides aminés, disposés selon une séquence linéaire.
Les fonctions des protéines sont très diverses car il existe 20 acides aminés différents chimiquement distincts qui forment de longues chaînes, et les acides aminés peuvent être dans n'importe quel ordre. Par exemple, les protéines peuvent fonctionner comme des enzymes ou des hormones. Les enzymes, qui sont produites par les cellules vivantes, sont des catalyseurs des réactions biochimiques (comme la digestion) et sont généralement des protéines. Chaque enzyme est spécifique au substrat (un réactif qui se lie à une enzyme) sur lequel elle agit. Les enzymes peuvent fonctionner pour rompre les liaisons moléculaires, pour réarranger les liaisons ou pour former de nouvelles liaisons. L'amylase salivaire, qui décompose l'amylose, un composant de l'amidon, est un exemple d'enzyme.
Les hormones sont des molécules de signalisation chimique, généralement des protéines ou des stéroïdes, sécrétées par une glande endocrine ou un groupe de cellules endocrines qui agissent pour contrôler ou réguler des processus physiologiques spécifiques, notamment la croissance, le développement, le métabolisme et la reproduction. Par exemple, l'insuline est une hormone protéique qui maintient la glycémie.
Les protéines ont des formes et des poids moléculaires différents ; certaines protéines sont de forme globulaire tandis que d'autres sont de nature fibreuse. Par exemple, l'hémoglobine est une protéine globulaire, mais le collagène, présent dans notre peau, est une protéine fibreuse. La forme des protéines est essentielle à leur fonctionnement. Les changements de température, de pH et d'exposition aux produits chimiques peuvent entraîner des modifications permanentes de la forme de la protéine, entraînant une perte de fonction ou une dénaturation (nous reviendrons plus en détail plus loin). Toutes les protéines sont constituées de différents arrangements des 20 mêmes types d'acides aminés.
Les acides aminés sont les monomères qui composent les protéines. Chaque acide aminé possède la même structure fondamentale, qui consiste en un atome de carbone central lié à un groupe amino (-NH 2), à un groupe carboxyle (-COOH) et à un atome d'hydrogène. Chaque acide aminé possède également un autre atome variable ou un autre groupe d'atomes liés à l'atome de carbone central connu sous le nom de groupe R. Le groupe R est la seule différence de structure entre les 20 acides aminés ; sinon, les acides aminés sont identiques (Figure\(\PageIndex{8}\)).
La nature chimique du groupe R détermine la nature chimique de l'acide aminé contenu dans sa protéine (c'est-à-dire s'il est acide, basique, polaire ou non polaire).
La séquence et le nombre d'acides aminés déterminent en fin de compte la forme, la taille et la fonction d'une protéine. Chaque acide aminé est lié à un autre acide aminé par une liaison covalente, appelée liaison peptidique, qui est formée par une réaction de déshydratation. Le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amino d'un second acide aminé se combinent pour libérer une molécule d'eau. La liaison résultante est la liaison peptidique.
Les produits formés par une telle liaison sont appelés polypeptides. Bien que les termes polypeptide et protéine soient parfois utilisés de manière interchangeable, un polypeptide est techniquement un polymère d'acides aminés, alors que le terme protéine est utilisé pour désigner un ou plusieurs polypeptides qui se sont combinés, ont une forme distincte et ont une fonction unique.
L'ÉVOLUTION EN ACTION : L'importance évolutive du cytochrome c
Le cytochrome c est un élément important de la machinerie moléculaire qui capte l'énergie du glucose. Comme le rôle de cette protéine dans la production d'énergie cellulaire est crucial, elle a très peu évolué depuis des millions d'années. Le séquençage des protéines a montré qu'il existe une grande similitude de séquences entre les molécules du cytochrome c de différentes espèces ; les relations évolutives peuvent être évaluées en mesurant les similitudes ou les différences entre les séquences protéiques des différentes espèces.
Par exemple, les scientifiques ont déterminé que le cytochrome c humain contient 104 acides aminés. Pour chaque molécule de cytochrome c séquencée à ce jour à partir de différents organismes, 37 de ces acides aminés apparaissent à la même position dans chaque cytochrome c. Cela indique que tous ces organismes descendent d'un ancêtre commun. En comparant les séquences des protéines humaines et des chimpanzés, aucune différence de séquence n'a été trouvée. Lorsque les séquences de l'homme et du singe rhésus ont été comparées, une seule différence a été trouvée dans un acide aminé. En revanche, les comparaisons entre l'homme et la levure montrent une différence dans 44 acides aminés, ce qui suggère que les humains et les chimpanzés ont un ancêtre commun plus récent que les humains et le singe rhésus, ou que les humains et la levure.
Structure des protéines
Comme indiqué précédemment, la forme d'une protéine est essentielle à son fonctionnement. Pour comprendre comment la protéine prend sa forme ou sa conformation finale, nous devons comprendre les quatre niveaux de structure des protéines : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire (Figure\(\PageIndex{9}\)).
La séquence et le nombre uniques d'acides aminés d'une chaîne polypeptidique constituent sa structure principale. La séquence unique de chaque protéine est finalement déterminée par le gène qui code la protéine. Toute modification de la séquence génique peut entraîner l'ajout d'un acide aminé différent à la chaîne polypeptidique, entraînant une modification de la structure et de la fonction des protéines. Dans l'anémie falciforme, la chaîne β de l'hémoglobine est substituée par un seul acide aminé, ce qui entraîne une modification de la structure et de la fonction de la protéine. Ce qui est le plus remarquable à considérer, c'est qu'une molécule d'hémoglobine est composée de deux chaînes alpha et de deux chaînes bêta qui contiennent chacune environ 150 acides aminés. La molécule contient donc environ 600 acides aminés. La différence structurelle entre une molécule d'hémoglobine normale et une molécule drépanocytaire, qui réduit considérablement l'espérance de vie des personnes atteintes, est un seul acide aminé sur les 600.
En raison de cette modification d'un acide aminé de la chaîne, les globules rouges normalement biconcaves, ou en forme de disque, prennent la forme d'un croissant ou d'une « faucille », qui obstrue les artères. Cela peut entraîner une myriade de problèmes de santé graves, tels que des essoufflements, des étourdissements, des maux de tête et des douleurs abdominales pour les personnes atteintes de cette maladie.
Les modèles de repliement résultant des interactions entre les parties des acides aminés ne faisant pas partie du groupe R donnent naissance à la structure secondaire de la protéine. Les structures en feuille plissée alpha (α) et bêta (β) sont les plus courantes. Les deux structures sont maintenues en forme par des liaisons hydrogène. Dans l'hélice alpha, les liaisons se forment entre un acide aminé sur quatre et provoquent une torsion de la chaîne d'acides aminés.
Dans la feuille plissée en β, les « plis » sont formés par liaison hydrogène entre des atomes sur le squelette de la chaîne polypeptidique. Les groupes R sont attachés aux carbones et s'étendent au-dessus et en dessous des plis du pli. Les segments plissés s'alignent parallèlement les uns aux autres, et des liaisons hydrogène se forment entre les mêmes paires d'atomes sur chacun des acides aminés alignés. Les structures en hélice α et en feuille plissée β se trouvent dans de nombreuses protéines globulaires et fibreuses.
La structure tridimensionnelle unique d'un polypeptide est connue sous le nom de structure tertiaire. Cette structure est causée par des interactions chimiques entre divers acides aminés et des régions du polypeptide. Principalement, les interactions entre les groupes R créent la structure tertiaire tridimensionnelle complexe d'une protéine. Des liaisons ioniques peuvent se former entre des groupes R sur différents acides aminés, ou des liaisons hydrogène au-delà de celles impliquées dans la structure secondaire. Lorsque le repliement des protéines se produit, les groupes R hydrophobes des acides aminés non polaires se trouvent à l'intérieur de la protéine, tandis que les groupes R hydrophiles se trouvent à l'extérieur. Les premiers types d'interactions sont également appelés interactions hydrophobes.
Dans la nature, certaines protéines sont formées à partir de plusieurs polypeptides, également appelés sous-unités, et l'interaction de ces sous-unités forme la structure quaternaire. De faibles interactions entre les sous-unités contribuent à stabiliser la structure globale. Par exemple, l'hémoglobine est une combinaison de quatre sous-unités polypeptidiques.
Chaque protéine possède sa propre séquence et sa propre forme, maintenues ensemble par des interactions chimiques. Si la protéine est soumise à des changements de température, de pH ou à une exposition à des produits chimiques, sa structure peut changer et perdre sa forme dans ce que l'on appelle la dénaturation, comme indiqué précédemment. La dénaturation est souvent réversible car la structure primaire est préservée si l'agent dénaturant est éliminé, ce qui permet à la protéine de reprendre sa fonction. Parfois, la dénaturation est irréversible, entraînant une perte de fonction. Un exemple de dénaturation des protéines peut être observé lorsqu'un œuf est frit ou bouilli. La protéine d'albumine contenue dans le blanc d'œuf liquide est dénaturée lorsqu'elle est placée dans une poêle chaude, passant d'une substance transparente à une substance blanche opaque. Les protéines ne sont pas toutes dénaturées à des températures élevées ; par exemple, les bactéries qui survivent dans les sources thermales possèdent des protéines adaptées pour fonctionner à ces températures.
CONCEPT EN ACTION
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Acides nucléiques
Les acides nucléiques sont des macromolécules essentielles à la continuité de la vie. Ils contiennent le schéma génétique d'une cellule et des instructions pour le fonctionnement de la cellule.
Les deux principaux types d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L'ADN est le matériel génétique présent dans tous les organismes vivants, des bactéries unicellulaires aux mammifères multicellulaires.
L'autre type d'acide nucléique, l'ARN, est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. Les molécules d'ADN ne quittent jamais le noyau, mais utilisent plutôt un intermédiaire d'ARN pour communiquer avec le reste de la cellule. D'autres types d'ARN sont également impliqués dans la synthèse des protéines et leur régulation.
L'ADN et l'ARN sont composés de monomères appelés nucléotides. Les nucléotides se combinent pour former un polynucléotide, un ADN ou un ARN. Chaque nucléotide est composé de trois composants : une base azotée, un sucre pentose (cinq carbones) et un groupe phosphate (Figure\(\PageIndex{10}\)). Chaque base azotée d'un nucléotide est attachée à une molécule de sucre, qui est attachée à un groupe phosphate.
Structure à double hélice de l'ADN
L'ADN a une structure à double hélice (Figure\(\PageIndex{11}\)). Il est composé de deux brins, ou polymères, de nucléotides. Les brins sont formés par des liaisons entre les groupes phosphate et sucre des nucléotides adjacents. Les brins sont liés les uns aux autres à leur base par des liaisons hydrogène, et les brins s'enroulent les uns autour des autres sur leur longueur, d'où la description de « double hélice », qui signifie une double spirale.
Les groupes alternés de sucre et de phosphate se trouvent à l'extérieur de chaque brin, formant le squelette de l'ADN. Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme les marches d'un escalier, et ces bases s'apparient ; les paires sont liées entre elles par des liaisons hydrogène. Les bases se couplent de telle sorte que la distance entre les épines dorsales des deux brins est la même tout au long de la molécule.
Résumé
Les êtres vivants sont à base de carbone parce que le carbone joue un rôle très important dans la chimie des êtres vivants. Les quatre positions de liaison covalentes de l'atome de carbone peuvent donner naissance à une grande diversité de composés ayant de nombreuses fonctions, ce qui explique l'importance du carbone dans les êtres vivants. Les glucides sont un groupe de macromolécules qui constituent une source d'énergie vitale pour la cellule, fournissent un soutien structurel à de nombreux organismes et peuvent être trouvés à la surface de la cellule en tant que récepteurs ou pour la reconnaissance cellulaire. Les glucides sont classés en monosaccharides, disaccharides et polysaccharides, en fonction du nombre de monomères dans la molécule.
Les lipides sont une classe de macromolécules de nature non polaire et hydrophobe. Les principaux types incluent les graisses et les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes. Les graisses et les huiles sont une forme d'énergie stockée et peuvent inclure des triglycérides. Les graisses et les huiles sont généralement composées d'acides gras et de glycérol.
Les protéines sont une classe de macromolécules qui peuvent remplir diverses fonctions pour la cellule. Ils contribuent au métabolisme en fournissant un soutien structurel et en agissant comme enzymes, porteurs ou hormones. Les éléments constitutifs des protéines sont les acides aminés. Les protéines sont organisées à quatre niveaux : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La forme et la fonction des protéines sont étroitement liées ; tout changement de forme causé par des changements de température, de pH ou d'exposition à des produits chimiques peut entraîner une dénaturation des protéines et une perte de fonction.
Les acides nucléiques sont des molécules constituées d'unités répétitives de nucléotides qui dirigent les activités cellulaires telles que la division cellulaire et la synthèse des protéines. Chaque nucléotide est composé d'un sucre pentose, d'une base azotée et d'un groupe phosphate. Il existe deux types d'acides nucléiques : l'ADN et l'ARN.
Lexique
- acide aminé
- un monomère d'une protéine
- glucide
- macromolécule biologique dans laquelle le rapport entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène est de 1:2:1 ; les glucides servent de sources d'énergie et de support structurel aux cellules
- cellulose
- un polysaccharide qui constitue les parois cellulaires des plantes et fournit un soutien structurel à la cellule
- chitine
- type de glucide qui forme le squelette externe des arthropodes, tels que les insectes et les crustacés, et les parois cellulaires des champignons
- dénaturation
- la perte de forme d'une protéine à la suite de changements de température, de pH ou d'exposition à des produits chimiques
- acide désoxyribonucléique (ADN)
- un polymère bicaténaire de nucléotides qui porte l'information héréditaire de la cellule
- disaccharide
- deux monomères de sucre liés entre eux par une liaison peptidique
- enzyme
- un catalyseur dans une réaction biochimique qui est généralement une protéine complexe ou conjuguée
- gros
- une molécule lipidique composée de trois acides gras et d'un glycérol (triglycéride) qui existe généralement sous forme solide à température ambiante
- glycogène
- un glucide de stockage chez les animaux
- hormone
- molécule de signalisation chimique, généralement une protéine ou un stéroïde, sécrétée par une glande endocrine ou un groupe de cellules endocrines ; agit pour contrôler ou réguler des processus physiologiques spécifiques
- lipides
- une classe de macromolécules non polaires et insolubles dans l'eau
- macromolécule
- une grosse molécule, souvent formée par polymérisation de monomères plus petits
- monosaccharide
- une seule unité ou monomère de glucides
- acide nucléique
- une macromolécule biologique qui transporte l'information génétique d'une cellule et contient des instructions pour le fonctionnement de la cellule
- nucléotide
- un monomère d'acides nucléiques ; contient un sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée
- huile
- un gras insaturé liquide à température ambiante
- phospholipide
- constituant majeur des membranes cellulaires ; composé de deux acides gras et d'un groupe phosphate fixé au squelette du glycérol
- polypeptide
- une longue chaîne d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques
- polysaccharide
- une longue chaîne de monosaccharides ; peut être ramifiée ou non
- protéine
- une macromolécule biologique composée d'une ou de plusieurs chaînes d'acides aminés
- acide ribonucléique (ARN)
- un polymère monocaténaire de nucléotides impliqué dans la synthèse des protéines
- acides gras saturés
- un hydrocarbure à chaîne longue avec des liaisons covalentes simples dans la chaîne carbonée ; le nombre d'atomes d'hydrogène attachés au squelette carboné est maximisé
- amidon
- un glucide de stockage dans les plantes
- stéroïde
- un type de lipide composé de quatre cycles hydrocarbonés fusionnés
- gras trans
- une forme de graisse insaturée dont les atomes d'hydrogène sont voisins de la double liaison l'un en face de l'autre plutôt que du même côté de la double liaison
- triglycéride
- une molécule de graisse ; se compose de trois acides gras liés à une molécule de glycérol
- acide gras insaturé
- un hydrocarbure à chaîne longue qui possède une ou plusieurs doubles liaisons dans la chaîne hydrocarbonée