Biologie: Composants Chimiques et Molécules du Vivant

La biologie est la science qui étudie les êtres vivants. Ce quidéfinit un être vivant, notamment sa composition chimique, sera exploré dans ce chapitre.

Chapitre 1 : Composition chimique des êtres vivants

Ce chapitre a pour objectifs de :

• Connaîtreles propriétés physicochimiques des principaux composés biochimiques.

• Se familiariser avec leur structure.

1.1 - Introduction : lesatomes

Les êtres vivants sont composés d'atomes spécifiques en proportions variées. Le tableau suivant présente la composition atomique moyenne du corps humain (Homo sapiens) :

Ces éléments constituent la base de toutes les molécules organiques et inorganiques présentes dans les organismes vivants.

1.2 - L'Eau

L'eau est la molécule la plus abondante dans les êtres vivants et possède des propriétés physicochimiques uniques, essentielles à la vie.

Substances Hydrophiles et Hydrophobes

• Substances hydrophiles : ont une affinité avec l'eau (du grechydor « eau » et philos « qui aime »). Elles peuvent se dissoudre dans l'eau ou former des suspensions colloïdales (ex: certaines molécules cellulaires très volumineuses).

• Substances hydrophobes : n'ont aucune affinité avec l'eau(du grec phobos « qui craint »). Elles ne sont ni ioniques ni polaires et ne peuvent pas former de liaisons hydrogène avec l'eau, et sont donc repoussées par celle-ci (ex: l'huile). Leur comportement hydrophobe est dû à la présence de liaisons covalentespeu polaires, typiques des chaînes carbonées. Certaines molécules hydrophobes apparentées aux huiles sont des constituants importants des membranes cellulaires.

L'eau, un solvant polyvalent

L'eau est un excellent solvant pour les molécules polaires et ioniques car elle est capable de former des liaisons hydrogène. Pour les solutions, la concentration est souvent mesurée en moles, car une mole représente un nombre constant de molécules, quelle que soit la substance. La masse d'une mole d'une substance en grammes est équivalente à sa masse moléculaire en unités de masse atomique (daltons).

Propriétés émergentes de l'eau

Les propriétés de l'eau rendent la vie possible sur Terre et potentiellement sur d'autres planètes :

• Cohésion des molécules d'eau : Les liaisonshydrogène maintiennent les molécules d'eau proches les unes des autres, rendant l'eau plus structurée que la plupart des liquides. Cette cohésion contribue au transport de l'eau et des nutriments dans les plantes, luttant contre la force de gravité.

• Tension superficielle : Force résultant de la cohésion, elle rend difficile l'étirement ou la rupture de la surface d'un liquide. L'eau a une tension superficielle élevée, ce qui permet à certains animaux de se déplacer sur sa surface sans la briser.

• Limitation des écarts de température : L'eau a une capacité thermique spécifique élevée et une chaleur de vaporisation élevée, ce qui lui permet d'absorber ou de libérer de grandes quantités de chaleur avec des changements minimes de température. Cela est crucial pour la régulation thermique des organismes.

LepH de l'eau

L'eau pure, à 25°C, a un pH neutre de 7. Une solution est considérée comme acide si son pH est inférieur à 7, et basique si son pH est supérieur à 7. Une variation d'une unité de pHreprésente un facteur de 10 dans la concentration en ions H⁺. Ainsi, une solution de pH 5 est 100 fois plus acide qu'une solution de pH 7 (et 1000 fois plus acide qu'une solution de pH 8). La plupart des liquides biologiques ont un pH comprisentre 6 et 8, à l'exception notable du suc gastrique humain qui peut avoir un pH d'environ 2.

Les propriétés de l'eau incluent :

• Chaleur spécifique élevée.

• Chaleur de vaporisation élevée.

• Densité de l'eau liquide > glace.

• pH.

• Réactivité chimique (hydrolyses).

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1.3 - Les composés carbonés

La chimie du carbone est fondamentalepour la vie en raison de sa capacité à former des liaisons stables avec d'autres atomes, créant une diversité moléculaire incroyable. Cette diversité a permis l'évolution des organismes sur Terre.

La diversité des molécules organiques

Les molécules organiques, telles que les glucides,les lipides, les protéines et les acides nucléiques, contiennent toutes des atomes de carbone. Les chaînes carbonées, qui varient en longueur et peuvent être linéaires, ramifiées ou cycliques, constituent l'ossature des molécules organiques. La présence de doubles liaisons et la fixation d'autres atomes ougroupes d'atomes contribuent grandement à la complexité et à la diversité des molécules du vivant.

1.3.1 - Les Glucides

Les glucides (aussi appelés hydrates de carbone ou sucres) sont des molécules organiques qui servent principalement de sources d'énergie etde matériaux de structure.

• Monosaccharides (glucides simples) : ce sont les unités de base à partir desquelles sont synthétisés les glucides plus complexes. Le glucose est un exemple clé.

• Disaccharides (glucides doubles) : formés par l'union de deux monosaccharides via une liaison covalente.

• Polysaccharides : polymères complexes composés de nombreuses molécules de monosaccharides (monomères).

Les monosaccharides se distinguent par la position de leur groupement carbonyle, la longueur de leur chaînecarbonée et l'agencement spatial de leurs liaisons. Les isomères structuraux et les énantiomères sont des variations importantes qui affectent la fonction biologique des glucides.

Isomères et Énantiomères

• Isomères : Molécules ayant la même formule brute mais une structure différente.

  • Isomères de structure : diffèrent par la disposition des atomes ou la position des doubles liaisons.

  • Isomères cis-trans (anciennement isomères géométriques) : diffèrent par l'agencement spatial des atomes autour d'une double liaison rigide.

• Énantiomères : molécules images miroir non superposables l'une de l'autre, en raison de la présence d'un carbone asymétrique (carbone liéà quatre groupes différents). Un seul énantiomère est généralement biologiquement actif, car les protéines et autres biomolécules sont spécifiques de la forme spatiale. Les énantiomères de médicaments peuvent avoir des effets très différents sur l'organisme (ex: méthamphétamine).

Hétérosides

Les hétérosides sont des molécules composées d'une partie glucidique et d'une autre partie non glucidique (appelée aglycone). Si seule la partie glucidique est présente, on parle d'holosides (polymères contenantuniquement des glucides).

1.3.2 - Les Lipides

Les lipides forment une famille hétérogène de composés carbonés, hydrophobes et apolaires, essentiels à de nombreuses fonctions biologiques.

• Acides gras et dérivés :

  • Triglycérides (huiles, graisses) : esters de glycérol et d'acides gras, utilisés pour le stockage d'énergie.

  • Phospholipides : constituants majeurs des membranes cellulaires, caractérisés par une tête hydrophile et deux queues hydrophobes.

• Stéroïdes : Lipides non saponifiables (ex:cholestérol, hormones stéroïdiennes).

• Glycolipides : Lipides liés à des glucides.

Acides Gras

Les acides gras sont des chaînes hydrocarbonées avec un groupe carboxyle () à une extrémité. Leurformule générale peut être représentée par . Une grande partie des acides gras est oxydée pour produire de l'énergie (ATP). En raison de leurs longues chaînes non polaires, les acides gras sont hydrophobes et n'ont pas d'affinité avec l'eau.

Lipides Tensioactifs (Amphiphiles)

Certains lipides sont amphiphiles, c'est-à-dire qu'ils possèdent à la fois une partie polaire (hydrophile) et une partieapolaire (hydrophobe). Cette propriété leur permet de s'organiser en micelles ou en bicouches dans un environnement aqueux.

• Fortement tensioactifs :

  • Acides gras sous forme de carboxylate (chargés négativement) =savons.

  • Acides biliaires (digestion).

  • Phospholipides.

• Faiblement tensioactifs :

  • Acides gras sous forme neutre.

  • Cholestérol.

Ces lipides tensioactifs sont essentiels à la formation des membranes biologiques.

Membranes Biologiques

Les membranes biologiques, principalement constituées de phospholipides, sont des bicouches lipidiques qui empêchent le passage des composés hydrophiles. Lecholestérol et les sphingolipides sont d'autres composants des membranes, contribuant à leur fluidité et leur stabilité. Les glycolipides, comme les gangliosides, sont également présents dans les membranes animales et végétales.

Résumé : les rôles des lipides

• Membranes cellulaires : Phospholipides, sphingolipides, cholestérol, cérébrosides, gangliosides.

• Stockage d'énergie : Triglycérides.

• Isolation thermique : Couche de graisse sous-cutanée.

• Hormones : Hormones stéroïdiennes.

• Protection : Cires sur les épidermes.

1.3.3 - Les Protéines

Les protéines sont des polymères d'acides aminés, jouant des rôles fondamentaux et diversifiés dans tous les processus biologiques. Les acides aminés se caractérisent par un groupe amine (), un groupe carboxyle (), un atome d'hydrogène et une chaîne latérale (radical R) liés à un carbone central (carbone alpha). À pH neutre, la forme majoritaire est l'ion dipolaire (zwitterion) avec les groupes amine et carboxyle ionisés ( et ).

Chacun des êtres vivants, ce qu'est fortifié des fonctions avec relques dépend des protéines. En fait, la forme protéine, soumise en pH net par l'organisme de son endémism, a déjà acquis amino, qui signifie «somme», «essentiel». Les protéines n'ont souvent plus de 50 % de la masse sèche de la plupart des cellules et interviennent dans presque toutes les activités cellulaires. Cellulines se dirent à elleme des ches dans cet organe, et le cas d'urine, leucine ou d'azote. En principe, leucine est le composant des substances, interviennent dans les communications cellulaires, permettant de proé tion la mesure entre le rendement et le flux. Sans les enzymes, qui sont pour la plupart des protéines, et les autres organes de l'urine, leucine est le processus de protéine à la fois importante. Elles figurent en relation avec le signalent comme cellophane, c'est-à-dire comme agent chimique qui se défilent la chenre des electrons tout en citiant lechnoglie. Comme les enzymes peuvent remplir leur fonction de façon topique, ils les conseille comme le produit de perche aux cellules d'effectuer les processus de la vie. L'humain possède des dizainesde milliers de protéines APE, autres, d'autres ayant une structure et une fonction spécialement de fait, sur le plan de la structure, les protéines sont les APE dans les plus nombreux que l'on consacre. Pour comprendre l'oxydase, leurs structures seront considérationnelles dans les protéines possible une formetridimensionnelle unique.

Les Polypeptides

Les protéines sont des macromolécules complexes formées d'un ou plusieurs chaînes de polypeptides. Un polypeptide est un polymère d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. Chaque protéine adopte une structure tridimensionnelle spécifique qui détermine sa fonction.

Structure des protéines

La structure des protéines est décrite à quatre niveaux :

• Structure primaire : Séquence linéaire unique d'acides aminés.

• Structure secondaire : Repliements locaux du polypeptide (hélices alpha, feuillets bêta) stabilisés par des liaisons hydrogène.

• Structure tertiaire : Forme tridimensionnelle globale du polypeptide, résultant des interactions entre les chaînes latérales d'acides aminés (liaisons hydrogène, liaisons ioniques, forces de Van der Waals, ponts disulfures). Cette structure est essentielle à la fonction. La dénaturation (perte de la structure tertiaire) entraîne une perte de fonction.

• Structure quaternaire : Association de plusieurs polypeptides (sous-unités)pour former un complexe protéique fonctionnel. Les interactions sont similaires à celles de la structure tertiaire.

Modifications covalentes des protéines

Des modifications post-traductionnelles peuvent altérer la structure et la fonction des protéines :

• Pont disulfure : Liaison covalente essentielle pour la stabilité de certaines protéines.

• Phosphorylation (phosphoprotéines) : Ajout d'un groupe phosphate, souvent impliqué dans la régulation d'activité.

• Glycosylation (glycoprotéines) : Ajout de chaînes glucidiques, important pour la localisation cellulaire (ex: glycocalyx) et la reconnaissance.

• Couplage à des lipides (lipoprotéines) : Ancrage membranaire des protéines (ex: acides gras).

Groupes prothétiques

Certaines protéines nécessitent une partie non peptidique, appelée groupement prosthétique, pour leur fonction. Exemples : ions métalliques (fer, zinc), hème (hémoglobine).

Solubilité des protéines

La solubilité desprotéines dépend des chaînes latérales des acides aminés exposées à la surface :

• Protéines solubles dans l'eau : Possèdent des chaînes latérales hydrophiles dirigées vers l'extérieur.

• Protéines solubles dans les membranes lipidiques : Possèdent deschaînes latérales hydrophobes dirigées vers l'extérieur.

Fonction des protéines

Les protéines sont à la base de toutes les fonctions vitales :

• Protéines de structure : Collagène (tissus conjonctifs), actine (cytosquelette).

• Enzymes : Catalyseurs biologiques (ex: oxydase).

• Transporteurs : Hémoglobine (transport d'oxygène), canaux membranaires.

• Hormones : Insuline, hormone de croissance (régulation).

• Anticorps : Faisant partie du système immunitaire (immunoglobulines).

Les anticorps (Immunoglobulines)

Les anticorps sont des protéines (immunoglobulines) ayant une structure quaternaire complexe, formées de quatre polypeptides :

• Deux chaînes lourdes identiques (~450 acides aminés).

• Deux chaînes légères identiques (~210 acides aminés).

Ces quatre chaînes sont maintenues ensemble par des pontsdisulfures. Chaque anticorps possède une partie variable qui se lie spécifiquement à un antigène et une partie constante qui interagit avec d'autres composants du système immunitaire. Leur masse moléculaire est d'environ 150 kDa.

1.3.4 - Les Acides Nucléiques

Les acides nucléiques, l'ADN (Acide Désoxyribonucléique) et l'ARN (Acide Ribonucléique), sont les macromolécules responsables du stockage, de la transmission et de l'expression de l'information génétique.

Composition des Acides Nucléiques

Ils sont des polymères de nucléotides, où un nucléotide est constitué de trois éléments :

1. Un groupe phosphate.

2. Un sucre à cinq carbones (pentose) : désoxyribose dans l'ADN, ribose dans l'ARN.

3. Une base azotée :

   • Bases puriques (double cycle) : Adénine (A), Guanine (G).

   • Bases pyrimidiques (simplecycle) : Cytosine (C), Uracile (U - dans l'ARN), Thymine (T - dans l'ADN).

Un nucléoside est une base azotée liée à un pentose, sans le groupe phosphate (ex: Adénosine, Guanosine, Cytidine, Uridine).

Nomenclature des Nucléosides et Nucléotides

Découverte de la structure de l'ADN

La structure endouble hélice de l'ADN a été élucidée par James Watson et Francis Crick en 1953, grâce notamment aux travaux de Rosalind Franklin sur la diffraction des rayons X.

La double hélice d'ADN est caractérisée par :

• Une hélice droite.

• Chaque tour d'hélice contient environ 10 paires de nucléotides et mesure 3,4 nm.

• Les deux brins sont antiparallèles et complémentaires (A s'apparie avec T, G avecC).

• Les sillons majeurs et mineurs sur la surface de l'hélice sont importants pour les interactions avec d'autres molécules.

Unités de mesure de l'ADN

• Monocadénaire (simple brin) : bases (b).

• Bicadénaire (double brin) : paires de bases (pb).

• Kilobase (kb) : 1 000 pb.

• Mégabase (Mb) : 1 000 000 pb.

• Gigabase (Gb) : 1 000 000 000 pb.

Structure de l'ADN bactérien

L'ADN bactérien est généralement sous forme d'une molécule d'ADN circulaire et doublebrin.

Structure de l'ADN eucaryote

L'ADN eucaryote est organisé en très grandes molécules linéaires (chromosomes). Chez l'homme, le génome contient environ 3 milliards de paires de bases par jeu haploïde, réparties en 23chromosomes différents. Cet ADN est associé à des protéines appelées histones pour former la chromatine.

Histones et Chromatine

• Histones : Protéines basiques (chargées positivement) très conservées au cours de l'évolution des eucaryotes. Ilexiste cinq familles principales : H1, H2A, H2B, H3, H4.

• Les histones s'associent pour former des nucléosomes, autour desquels l'ADN s'enroule, compactant ainsi l'ADN pourformer la chromatine.

• La chromatine s'organise davantage pour former les chromosomes pendant la division cellulaire.

Le génome humain

Le génome humain est constitué d'environ 3,2 milliards de paires debases par jeu haploïde, soit environ 2 mètres d'ADN par cellule. Il est divisé en 23 paires de chromosomes dans les cellules somatiques.

La synthèse des protéines

La synthèse des protéines est un processus complexe impliquant l'ADN et l'ARN. L'information génétique stockée dans l'ADN est transcrite en ARN, puis traduite en protéines.

ARN : structures secondaires

L'ARN est généralement monocaténaire (simple brin) dans la cellule, mais il peut former des structures secondaires complexes, telles que des boucles en épingle à cheveux ou des structures plus élaborées, jouant un rôle crucial dans sa fonction.

1.3.5 - Les Vitamines

Les vitamines sont des composés organiques essentiels, nécessaires en petites quantités pour le fonctionnement normal du métabolisme, la croissance et le développement.Elles ne sont généralement pas synthétisées par l'organisme en quantités suffisantes et doivent être apportées par l'alimentation.

• Vitamines hydrosolubles : (Ex: vitamines du groupe B et vitamine C). Elles sont solubles dans l'eau et nesont pas stockées en grandes quantités dans le corps, nécessitant un apport régulier.

• Vitamines liposolubles : (Ex: vitamines A, D, E, K). Elles sont solubles dans les graisses et peuvent être stockées dans le corps, notamment dans le foie et lestissus adipeux.

1.3.6 - Acides Organiques et Autres Composés

• De nombreux autres composés organiques sont importants dans le vivant, comme les intermédiaires métaboliques.

• Certaines espèces produisent des composés spécifiques, par exemple :

  • Alcaloïdes (ex: colchicine) : produits par les plantes, souvent avec des effets pharmacologiques.

  • Auxines : hormones végétales.

  • Pigments, essences, tanins : autresmolécules végétales.

  • Antibiotiques (ex: pénicilline) : produits par des moisissures, utilisés pour lutter contre les infections bactériennes.

Cette incroyable diversité chimique est largement exploitée en pharmacologie.

Résumé et Points Clés

• La biologie étudie les êtres vivants, dont la complexité dépend de leur composition chimique.

• Les principaux éléments composant les êtres vivants sont O, C, H, N, Ca, P.

• L'eau est essentielle àla vie, grâce à ses propriétés uniques (solvant, cohésion, résistance aux changements de température, pH).

• Les molécules organiques sont principalement à base de carbone et sont classées en grands groupes : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques.

• Les glucides sont des sourcesd'énergie et des éléments structuraux, présents sous forme de monosaccharides, disaccharides et polysaccharides.

• Les lipides sont hydrophobes et jouent des rôles variés dans le stockage d'énergie, la formation des membranes et la signalisation.

• Les protéines sont des polymères d'acides aminés, avec des structures complexes à quatre niveaux, et accomplissent la plupart des fonctions cellulaires.

• Les acides nucléiques, ADN et ARN, portent l'information génétique et sont formés de nucléotides.

• Les vitamines et d'autres molécules organiques contribuent aux fonctions spécifiques des organismes.