Chapitre 4 : Les matériaux de construction de la matière vivante 

Organismes —> consitutés de biomolécules 

Biomolécules ont une charpente carbonée + sont synthétisées par des organismes vivants —> bcp d’entre elles sont des macromlécules. 

Macromolécules biologiques/biomolécules : (4 grandes classes)

  • Glucides (ou polysaccharides) 

  • Acides nucléiques

  • Portéines 

  • Lipides (graisses)



LA CHARPENTE EN CARBONE


Charpente des biomolécules = essentiellement atomes de C liés entre eux et à des atomes d’O, N, S et H. 

—> C = 4 électrons de valence —> peut participer à 4 liaisons covalentes. 

—> biomolécules peuvent se présenter sous la formes de chaînes simples, ramifiées ou en anneaux, sphères, tubes ou spirales. 


Hydrocarbures : molécules formées uniquement de C et d’H. 

—> l’oxydation de ces molécules libère de l’énergie d’où le fait que ce soit de bons carburants. (Ex : pétrole est riche en hydrocarbures, le gaz propane est un hydrocarbure composé de 3C et 8H avec C3H8 pour forme moléculaire (voir p23 du sylla pour la forme de structure). 


Électronégativités des atomes de C et d’H très similaire —> électrons et donc charges entourant les liaisons C-C et C-H sont distribuées de manière symétriques = hydrocarbures : apolaires. 


Biomolécules des 4 grandes classes comportent souvent d’immenses chaînes carbonées. La plupart des biomolécules produies par les cellules contiennent aussi d’autres atomes avec un électronégativité ± différentes de celle du C et de l’H —> molécules polaires 

—> on peut considérer que ces molécules ont un squellette avec du C et de l’H sur lequel se greffent des groupes d’atomes : groupes fonctionnels qui vont donner des propriétés spécifiques aux molécules du vivant qui les conctiennent 


Groupe fonctionnel : groupe d’atome ayant certaines propriétés chimiques peu importe leur localisation dans une molécule. 

Ex : les groupes hydroxyle (OH) et carbonyle (C=O) sont polaires, où qu’ils se trouvent dans une molécule ils le resteront dû à l’électronégativité de leur O. 

Groupes les + connus : 

  • Groupe hydroxyle

  • Groupe carboxyle (COOH) : acide + rend la biomolécule acide

  • Groupe phosphate (PO4) : basique + rend la biomolécule basique 

  • Groupe amine (NH2) : basique + rend la biomolécule basique



LES POLYMÈRES


Macromolécules du vivant = polymères

Polymère : longue molécule produite par liaisons d’un grand nombre de monomères (petites sous-unités chimiques similaires). 

Les monomères utilisés déterminent la nature des polymères produits par leur association : 

Polymère : monomère

  • Amidon (glucide complexe) : monosaccharide glucose

  • Acides nucléiques : nucléotides 

  • Protéines : acides aminés 



LES LIPIDES (ET PHOSPHOLIPIDES AMPHIPHILES) 


Lipides = groupes mal délimité de molécules réunies par une caractéritique commune : l’insolubilité dans l’eau 

—> graisses animales, huiles végétales, cire d’abeille, cérumen et certaines vitamines par ex. 


Lipides —> proportion très élevée de liaisons apolaire C-H. Leurs longues chaînes ne peuvent pas mettre leur portions apolaires à l’abri de leur environnement aqueux en se pliant sur elles-mêmes comme le font les prot : on le constate lorsqu’on met de l’huile dans de l’eau, l’huile remonte à la surface sous forme de gouttelettes cohésives. 

Mais d’autres lipides s’agglomèrent spontanément en orientant vers l’eau leurs régions polaires (hydrophiles) et en regroupant à l’intérieur de l’amas de molécules leurs régions apolaires (hydrophobes). 


Amphiphile : molécule possédant à la fois une partie hydrophobe et une partie hydrophile. 


Les molécules de lipide en milieu aqueux s’orientent pour avoir leurs têtes polaires dans le milieu polaire constitué par l’eau et que leurs queues apolaires soient écartées de l’eau —> des micelles (molécule amphiphile organisant leur dualité de la façon décrite dans un solvant) peuvent se former. 


Nombreux lipides ont un squelette simple avec 2 types de molécules : 

  • Acides gras : longues chaînes d’hydrocarbures (CH2) se terminant par un groupe carboxyle

  • Glycérol : alcool à trois carbones, chacun d’entre eux porteur d’un groupe hydroxyde (HOH2C-CHOH-CH2OH)


Catégorie de lipides complexes : 

  • Triglycérides 

  • Terpènes 

  • Stéroïdes

  • Prostaglandines 

  • Phospholipides


Phospholipides : très importantes car constituants de base de toutes les membranes des cellules. 

3 sortes de sous-unités de la structure de base d’un phospholipide : 

  • Glycérol : constitue le squelette de la molécule de phospholipide 

  • 2 acides gras : et non 3 comme bcp de lipides triglycérides 

  • 1 groupe de phosphate : fixé à l’une des extrémité du glycérol


Dans l’eau, molécules de phospholipides (grâce au groupe phosphate) forment une structure particulière en deux couches (double couche phospholipidique) : têtes hydrophiles vers l’ext et queues hydrophobes vers l’intérieur

—> ces bicouches consitutent la structure de base des membranes biologiques 

—> en séparant un milieu inté d’un milieu ext = habitacle qui peut éventuellement abriter une unité de vie. 



LES GLUCIDES — MONOSACCHARIDES ET ISOMÈRES (BRIQUES) — DISACCHARIDES (TRANSPORT) — POLYSACCHARIDES (MULTIFONCTIONS) 


Glucides = groupe de molécules défini de manière imprécise —> tous formés de C, d’H et d’O

Grand nombre de liaisons C-H (dont l’oxydation libère bcp d’énergie) —> ils sont donc particulièrement adaptés au stockage de l’énergie —> font partie des principales molécules de réserve énergétique


Formule générale des glucides : Cm(H20)n avec n ≤ m


Glucides les + simples : monosaccharides/oses

  • Les + petits d’entre eux comportent seulement 3 atomes de C 

  • Les + importants en tant que réservoirs d’énergie en ont 6 (C6H12O6)

  • Sucre le + important à 6 C : glucose (qu’on retrouve notamment dans la pdt, l’amidon, le raisin et la banane) 

  • Fructose (sucre de fruits, miel, …) et galactose (sucre de lait) ont la même formule que le glucose (C6H12O6) mais ne sont pas les mêmes molécules car les O et H ne sont pas disposés pareil autoure de la structure des C —> isomères


Isomères : molécules de composition atomique identique mais de structure différente 

—> les différences d’organisation rendent souvent compte de différences substantielles de leurs fonctions —> nos papilles sont capables de distinguer leurs diff saveurs (saveur du fructose bcp + sucrée que celle du glucose alors qu’ils ont la même compo chimique) 


Les monosaccharides/sucres simples servent souvent de briques de construction pour former des molécules + grande. Ex : le ribose (sucre simple à 5 C) et un dérivé : le désoxyribose, sont des constituant des acides nucléiques 


Plupart des organismes font des transports internes de glucides. Dans le corps humain ils circulent dans le sang sous la forme de glucose mais dans les plantes ou divers organismes il est préalablement converti en une autre forme de sucre. 

Transport souvent fait sous forme de disaccharides (formé par la liaison de 2 monosaccharides). Le glucose peut former des disaccharides de transport en s’associant à lui-même ou à d’autres monosaccharides dont le fructose et le galactose. 

Glucose + fructose = saccharose/sucrose —> le sucre de table —> forme de transport du glucose la + habituelle chez les plantes + sucre le + souvent consommé par l’homme et d’autres animaux. 


Polysaccharides comme l’amidon et le glycogène : longs polymères de monosaccharides. 

Organismes mettent en réservent l’énergie métabolique contenue dans les monosaccharides en les convertissant en polysaccharides (stockés dans des sites spécifiques). 

Chez les plantes les polysaccharides de stockage d’énergie produits à partir du glucose sont appelés l’amidon (qui est donc un polymère de glucose) et chez l’animal c’est le glycogène (idem).



LES ACIDES NUCLÉIQUES, MOLÉCULES DE L’INFORMATION


ADN et ARN 


Activité biochimique des cellules dépend de la prod d’un grand nombre de prot spécifiques càd caractérisées par une séquence propre d’acides aminés. 

L’info nécessaire pour produire les prot est transmise d’une génération à l’autre (/!\ pas la prot en elle-même qui est transmise) 

—> acides nucléiques : dispositif de stockage de l’information des cellules. Deux variétés : 

  • Acide désoxyribonucléique (ADN)

  • Acide ribonucléique (ARN)


ADN : 

  • Lieu de stockage de l’info génétique d’une cellule 

  • Caractère remarquable des molécules d’ADN (unique parmis les macromolécules) : peuvent servir de modèles pour produire des copies précises d’elles-mêmes (= réplication) —> permet à l’info génétique caractérisant un organisme d’être conservée lors de divisions cellulaires eucaryotes ou au niveau du nucléoïde des cellules procaryotes (procaryottes = unicellulaire = 1 seule molécule d’ADN) 

  • ADN identifié en 1869 par un chimiste suisse convaincu d’avoir découvert une nouvelle substance biologique. Il l’a nommé acide (car elle était légèrement acide) nucléique (elle semblait spécifiquement associé au noyau). 


ARN : exerce divers rôles dans la cellule : transport l’info génétique, fait partie intégrante de la machinerie de synthèse des protéines et peut réguler le processus d’expression des gènes. 


Les polymères de nucléotides 


Acides nucléiques = longs polymères de nucléotides. 

3 composants d’un nucléotide : 

  • 1 pentose (sucre à 5 C) : dans l’ARN : ribose, dans lequel 1 C est lié à un groupe hydroxyde (OH). Pour l’ADN : désoxyribose, dans lequel le C est lié à un atome d’H (l’H remplace le groupe hydroxyde présent dans l’ARN —> perte d’1 atome d’O —> « désoxy ») 

  • 1 groupe phosphate (PO4) : sert de liant entre les nucléotides 

  • 1 base organique azotée : nucléotides présentes 5 types de bases azotées : 

    • Adénine (A)

    • Guanine (G)

    • Cytosine (C)

    • Thymine (T) : uniquement dans l’ADN

    • Uracile (U) : uniquement dans l’ARN


Formation des polynucléotides : liaison du phosphate d’un nucléotide à un groupe hydroxyde du sucre d’un autre. 

—> acide nucléique = chaîne de sucre à 5 C liés entre eux et portant une base organique azotée sur chacun des sucres. 


La double hélice de l’ADN


Séquences de nucléotides dans l’ADN —> forme sous laquelle les organismes codent l’information spécifiant les séquences des acides aminés de leurs prot. 

—> méthode d’encodage très proche de celle utilisée pour transmettre une info par un texte constitué d’une série de lettres. Message de l’ADN utilise un alphabet de 4 lettres correspondant aux 4 nucléotides disposés selon des suites définies : A-T-C-G


ADN est bicaténaire càd constitué de 2 chaînes de polynucléotides enroulées autour d’un même axe hélicoïdal. 

Chez les eucaryotes —> double chaîne linéaire 

Chez les procaryotes —> double chaîne circulaire, refermée sur elle-même 

La manière dont les deux brins d’ADN s’entourent est appelée double hélice. 

Chaque barre horizontale du brin d’ADN est constitué d’une paire de bases, une base sur chaque hélice, deux bases face à face vont se rejoindre avec des ponts hydrogène. 

Elles s’associent de la façon suivante : 

  • ADN : A=T, C≡G

  • ARN : A=U, C≡G

—> les bases s’appariant sont dites complémentaires. 


Chez les eucaryotes : ADN + protéines —> complexes = chromosome 

—> affect la fonction de l’ADN dans le contrôle de l’expression des gènes. 


Les fonctions de l’ARN 


ARN et ADN sont similaire en dehors de 3 diff chimiques majeures : 

  • Nucléotides de l’ARN sont composés du sucre ribose 

  • ARN utilise l’uracile à la place de la thymine

  • Au niveau structural : ARN a 1 brin (= monocaténaire) 


ARN est produit par transcription de l’ADN (cf + loin). Exerce diverses f dans la cellule : 

  • Transfert d’info sous forme d’ARN messager (ARNm)

  • Composant des ribosomes sous forme d’ARN ribosomique (ARNr)

  • Transfert des acides aminés sous formes d’ARN de transfert (ARNt)



LES PROTÉINES, MOLÉCULES AUX STRUCTURES ET FONCTIONS VARIÉES 


Protéines = groupe de macromolécules le + diversifié (niv chimique et fonctionel). Parmis ces fonctions on trouve : 

  • La catalyse enzymatique : les enzymes (dont le nom caractéristique se termine souvent par -ase) facilient des réactions qui leurs sont spécifiques et qui n’auraient en pratique pas lieu sans elles. Une enzyme stabilise momentanément l’asso entre des molécules engagées dans une réaction et la favorise, elle s’en trouve donc accelérée. Des miliers d’enzymes diff existent, chacune catalyse une réaction spécifique ou un petit groupe de réaction. 

  • Le transport : diverses molécules globulaires transportent spécifiquement des petites molécules et des ions, ex : hémoglobine transporte l’O dans le sang. Les prot transporteuses assistent notamment le transport d’ions à travers les membranes. 

  • La structure : prot fibreuses jouent ce rôle par ex au sein du cytosquelette

  • La réception : les membranes sont remarquablement sensibles à des messages chimiques grâce à des prot réceptrices sur leur surface

  • Le marquage : les cellules portent (à la surface externe de leur membrane plasmique, des marqueurs de surface les distinguant d’autres cellules. La plupart des types cellulaires possèdent leur carte d’identité sous forme d’une combinaison spécifique de protéine de surface. 

  • L’adhérence : les cellules utilisent des protéines spéciales leur permettant d’adhérer les unes aux autres. Certaines réalisent des intéractions momentanées tandis que d’autres constituent des liens + permanents. 


Polymères d’acides aminés


Prot = polymères d’acides aminés. 

Acides aminés contiennent un groupe amine (NH2) qui est basique + un groupe carboxyle (COOH) qui est acide

—> c’est l’ordre spécifique de la séquence d’acides aminés qui détermine structure + f des prot. 

Acides aminés vraisemblablement parmis les 1ère molécules organiques produites par la Terre (cf soupe primitive) 


Structure générale des acides aminés : 1 atome de C central sur lequel est relié 1 groupe amine, 1 groupe carboxyle, 1 H et 1 groupe fonctionnel (représenté par R) —> ces 4 composants saturent les liaisons du C. 

—> 20 acides aminés intervenant dans la consitution des prot ont une structure commune et ne se différencient que par leur groupe latéral R 


Prot est composée d’1/plusieurs longue.s chaîne.s d’aicdes aminés, chaque chaîne = polypeptide. 

Si un polypeptide peut se replier en une structure exerçant une certaine f alors = prot 

—> certaines prot sont composées de plusieurs polypeptides (ex : hémoglobine) (cf structure quaternaire) 


Prot = différents niv de structure. Forme tridimensionnelle —> détermine la fonction

4 niveaux d’organisation des protéines : 

  • Structure primaire : séquence d’acides aminés d’une prot —> chaque prot a une séquence protétique spécifique

  • Structure secondaire : résulte de ponts hydrogène entre acides aminés proches, peut produire 2 types de structure « repliée » : feuillet plissé OU hélice

  • Structure tertiaire : forme tridimentionnelle finale de la prot, produite par des repliements supplémentaires dans l’espace de certaines régions de structure secondaire, par organisation spatiale de régions hydrophiles et hydrophobes du polypeptide. 

  • Structure quaternaire : propre aux prot formées de plusieurs polypeptides et provient de la disposition dans l’espace des polypeptides constitutifs (ex : hémoglobine formée de l’asso entre 4 polypeptides : 2 feuillets et 2 hélices).