7.3 : Lipides

Objectifs d'apprentissage

• Décrire la composition chimique des lipides
• Décrire les caractéristiques uniques et les diverses structures des lipides
• Comparer et contraster les triacylglycérides (triglycérides) et les phospholipides
• Décrire comment les phospholipides sont utilisés pour construire des membranes biologiques

Bien qu'elles soient principalement composées de carbone et d'hydrogène, les molécules lipidiques peuvent également contenir de l'oxygène, de l'azote, du soufre et du phosphore. Les lipides ont des fonctions nombreuses et diverses dans la structure et les fonctions des organismes. Ils peuvent être une source de nutriments, une forme de stockage du carbone, des molécules de stockage d'énergie ou des composants structuraux des membranes et des hormones. Les lipides constituent une vaste classe de nombreux composés chimiquement distincts, dont les plus courants sont abordés dans cette section.

Acides gras et triacylglycérides

Les acides gras sont des lipides qui contiennent des hydrocarbures à longue chaîne terminés par un groupe fonctionnel d'acide carboxylique. En raison de la longue chaîne hydrocarbonée, les acides gras sont hydrophobes (« peur de l'eau ») ou non polaires. Les acides gras dont les chaînes hydrocarbonées ne contiennent que des liaisons simples sont appelés acides gras saturés parce qu'ils contiennent le plus grand nombre d'atomes d'hydrogène possible et sont donc « saturés » en hydrogène. Les acides gras dont les chaînes hydrocarbonées contiennent au moins une double liaison sont appelés acides gras insaturés car ils contiennent moins d'atomes d'hydrogène. Les acides gras saturés ont un squelette carboné droit et flexible, tandis que les acides gras insaturés présentent des « plis » dans leur squelette carboné, car chaque double liaison provoque une courbure rigide du squelette carboné. Ces différences dans la structure des acides gras saturés par rapport aux acides gras insaturés se traduisent par des propriétés différentes pour les lipides correspondants dans lesquels les acides gras sont incorporés. Par exemple, les lipides contenant des acides gras saturés sont des solides à température ambiante, tandis que les lipides contenant des acides gras insaturés sont des liquides.

Un triacylglycérol, ou triglycéride, se forme lorsque trois acides gras sont chimiquement liés à une molécule de glycérol (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les triglycérides sont les principaux composants du tissu adipeux (graisse corporelle) et les principaux constituants du sébum (huiles pour la peau). Elles jouent un rôle métabolique important en tant que molécules de stockage d'énergie efficaces qui peuvent fournir plus du double de la teneur calorique des glucides et des protéines.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les triglycérides sont composés d'une molécule de glycérol fixée à trois acides gras par une réaction de synthèse par déshydratation.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Expliquez pourquoi les acides gras dont les chaînes hydrocarbonées ne contiennent que des liaisons simples sont appelés acides gras saturés.

Phospholipides et membranes biologiques

Les triglycérides sont classés comme des lipides simples car ils sont formés de deux types de composés seulement : le glycérol et les acides gras. En revanche, les lipides complexes contiennent au moins un composant supplémentaire, par exemple un groupe phosphate (phospholipides) ou une fraction glucidique (glycolipides). La figure\(\PageIndex{2}\) montre un phospholipide typique composé de deux acides gras liés au glycérol (un diglycéride). Les deux chaînes carbonées d'acides gras peuvent être à la fois saturées, insaturées ou l'une de chacune. Au lieu d'une autre molécule d'acide gras (comme pour les triglycérides), la troisième position de liaison sur la molécule de glycérol est occupée par un groupe phosphate modifié.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Cette illustration montre un phospholipide contenant deux acides gras différents, l'un saturé et l'autre insaturé, liés à la molécule de glycérol. La structure de l'acide gras insaturé est légèrement tordue en raison de la double liaison.

La structure moléculaire des lipides se traduit par un comportement unique en milieu aqueux. La figure\(\PageIndex{1}\) montre la structure d'un triglycéride. Comme les trois substituants du squelette du glycérol sont de longues chaînes hydrocarbonées, ces composés sont non polaires et ne sont pas attirés de manière significative par les molécules d'eau polaires : ils sont hydrophobes. À l'inverse, les phospholipides tels que celui illustré sur la figure\(\PageIndex{2}\) ont un groupe phosphate chargé négativement. Comme le phosphate est chargé, il est capable d'attirer fortement les molécules d'eau et est donc hydrophile, ou « aime l'eau ». La partie hydrophile du phospholipide est souvent appelée « tête » polaire, tandis que les longues chaînes hydrocarbonées sont appelées « queues » non polaires. Une molécule présentant une partie hydrophobe et une fraction hydrophile est dite amphipathique. Remarquez la désignation « R » dans la tête hydrophile illustrée à la figure\(\PageIndex{2}\), ce qui indique qu'un groupe de têtes polaires peut être plus complexe qu'une simple fraction phosphate. Les glycolipides sont des exemples dans lesquels les glucides sont liés aux groupes principaux des lipides.

La nature amphipathique des phospholipides leur permet de former des structures fonctionnelles uniques dans les environnements aqueux. Comme nous l'avons mentionné, les têtes polaires de ces molécules sont fortement attirées par les molécules d'eau, mais pas les queues non polaires. En raison de leur longueur considérable, ces queues sont en fait fortement attirées l'une vers l'autre. En conséquence, des assemblages à grande échelle et stables sur le plan énergétique de molécules de phospholipides se forment dans lesquels les queues hydrophobes se rassemblent dans des régions fermées, protégées du contact avec l'eau par les têtes polaires (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les plus simples de ces structures sont les micelles, des assemblages sphériques contenant un intérieur hydrophobe de queues de phospholipides et une surface extérieure constituée de groupes de têtes polaires. Des structures plus grandes et plus complexes sont créées à partir de couches lipidiques bicouches, ou membranes unitaires, qui sont de grands assemblages bidimensionnels de phospholipides rassemblés de queue en queue. Les membranes cellulaires de presque tous les organismes sont constituées de couches bicouches lipidiques, tout comme les membranes de nombreux composants intracellulaires. Ces feuillets peuvent également former des sphères bicouches lipidiques qui constituent la base structurale des vésicules et des liposomes, des composants subcellulaires qui jouent un rôle dans de nombreuses fonctions physiologiques.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Les phospholipides ont tendance à se disposer en solution aqueuse pour former des liposomes, des micelles ou des couches bicouches lipidiques. (crédit : modification de l'œuvre de Mariana Ruiz Villarreal)

Exercice\(\PageIndex{2}\)

En quoi la nature amphipathique des phospholipides est-elle significative ?

Isoprénoïdes et stérols

Les isoprénoïdes sont des lipides ramifiés, également appelés terpénoïdes, qui sont formés par des modifications chimiques de la molécule d'isoprène (Figure\(\PageIndex{4}\)). Ces lipides jouent un large éventail de rôles physiologiques chez les plantes et les animaux et ont de nombreuses utilisations technologiques en tant que produits pharmaceutiques (capsaïcine), pigments (par exemple, bêta-carotène orange, xanthophylles) et parfums (par exemple, menthol, camphre, limonène [parfum de citron] et pinène [parfum de pin]). Les isoprénoïdes à longue chaîne sont également présents dans les huiles et les cires hydrophobes. Les cires sont généralement résistantes à l'eau et dures à température ambiante, mais elles ramollissent lorsqu'elles sont chauffées et se liquéfient si elles sont chauffées de manière adéquate. Chez l'homme, la principale production de cire se produit dans les glandes sébacées des follicules pileux de la peau, ce qui donne lieu à une substance sécrétée appelée sébum, qui se compose principalement de triacylglycérol, d'esters de cire et de squalène, un hydrocarbure. De nombreuses bactéries présentes dans le microbiote de la peau se nourrissent de ces lipides. L'une des principales bactéries qui se nourrissent de lipides est la Propionibacterium acnes, qui utilise les lipides de la peau pour générer des acides gras à chaîne courte et participe à la production de l'acné.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Les molécules d'isoprène à cinq carbones sont modifiées chimiquement de différentes manières pour produire des isoprénoïdes.

Un autre type de lipides sont les stéroïdes, des structures complexes annelées que l'on trouve dans les membranes cellulaires ; certains agissent comme des hormones. Les types de stéroïdes les plus courants sont les stérols, qui sont des stéroïdes contenant un groupe OH. Ce sont principalement des molécules hydrophobes, mais elles possèdent également des groupes hydroxyles hydrophiles. Le stérol le plus répandu dans les tissus animaux est le cholestérol. Sa structure se compose de quatre cycles avec une double liaison dans l'un des cycles et d'un groupe hydroxyle à la position définissant le stérol. Le cholestérol a pour fonction de renforcer les membranes cellulaires des eucaryotes et des bactéries dépourvues de parois cellulaires, telles que les mycoplasmes. Les procaryotes ne produisent généralement pas de cholestérol, bien que les bactéries produisent des composés similaires appelés hopanoïdes, qui sont également des structures à anneaux multiples qui renforcent les membranes bactériennes (Figure\(\PageIndex{5}\)). Les champignons et certains protozoaires produisent un composé similaire appelé ergostérol, qui renforce les membranes cellulaires de ces organismes.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Le cholestérol et le hopène (un composé hopanoïde) sont des molécules qui renforcent la structure des membranes cellulaires chez les eucaryotes et les procaryotes, respectivement.

Lien vers l'apprentissage : les liposomes

Cette vidéo fournit des informations supplémentaires sur les phospholipides et les liposomes.

Exercice\(\PageIndex{3}\)

Comment les isoprénoïdes sont-ils utilisés en technologie ?

Orientation clinique : partie 2

La crème hydratante prescrite par le médecin de Penny était une crème topique à base de corticostéroïdes contenant de l'hydrocortisone. L'hydrocortisone est une forme synthétique de cortisol, une hormone corticostéroïde produite par les glandes surrénales à partir du cholestérol. Appliqué directement sur la peau, il peut réduire l'inflammation et soulager temporairement les irritations cutanées mineures, les démangeaisons et les éruptions cutanées en réduisant la sécrétion d'histamine, un composé produit par les cellules du système immunitaire en réponse à la présence d'agents pathogènes ou d'autres substances étrangères. Comme l'histamine déclenche la réponse inflammatoire de l'organisme, la capacité de l'hydrocortisone à réduire la production locale d'histamine dans la peau supprime efficacement le système immunitaire et aide à limiter l'inflammation et les symptômes associés tels que le prurit (démangeaisons) et les éruptions cutanées.

Exercice\(\PageIndex{4}\)

La crème aux corticostéroïdes traite-t-elle la cause de l'éruption cutanée de Penny, ou seulement les symptômes ?

Concepts clés et résumé

• Les lipides sont composés principalement de carbone et d'hydrogène, mais ils peuvent également contenir de l'oxygène, de l'azote, du soufre et du phosphore. Ils fournissent des nutriments aux organismes, stockent du carbone et de l'énergie, jouent un rôle structurel dans les membranes et fonctionnent comme des hormones, des produits pharmaceutiques, des parfums et des pigments.
• Les acides gras sont des hydrocarbures à longue chaîne dotés d'un groupe fonctionnel d'acides carboxyliques. Leurs chaînes hydrocarbonées non polaires relativement longues les rendent hydrophobes. Les acides gras sans double liaison sont saturés ; ceux qui n'ont pas de double liaison sont insaturés.
• Les acides gras se lient chimiquement au glycérol pour former des lipides structurellement essentiels tels que les triglycérides et les phospholipides. Les triglycérides comprennent trois acides gras liés au glycérol, ce qui donne une molécule hydrophobe. Les phospholipides contiennent à la fois des chaînes hydrocarbonées hydrophobes et des groupes de tête polaires, ce qui les rend amphipathiques et capables de former des structures à grande échelle fonctionnelles de manière unique.
• Les membranes biologiques sont des structures à grande échelle basées sur des bicouches de phospholipides qui fournissent des surfaces extérieures et intérieures hydrophiles adaptées aux environnements aqueux, séparées par une couche hydrophobe intermédiaire. Ces bicouches constituent la base structurale des membranes cellulaires de la plupart des organismes, ainsi que des composants subcellulaires tels que les vésicules.
• Les isoprénoïdes sont des lipides dérivés de molécules d'isoprène qui jouent de nombreux rôles physiologiques et ont diverses applications commerciales.
• Une cire est un isoprénoïde à longue chaîne généralement résistant à l'eau ; le sébum, produit par les glandes sébacées de la peau, est un exemple de substance contenant de la cire. Les stéroïdes sont des lipides dotés de structures annelées complexes qui fonctionnent comme des composants structuraux des membranes cellulaires et comme des hormones. Les stérols sont une sous-classe de stéroïdes contenant un groupe hydroxyle à un endroit précis de l'un des cycles de la molécule ; le cholestérol en est un exemple.
• Les bactéries produisent des hopanoïdes, dont la structure est similaire au cholestérol, pour renforcer les membranes bactériennes. Les champignons et les protozoaires produisent un agent fortifiant appelé ergostérol.