Quels sont les quatre macromolécules de la vie ?

La biologie - ou officieusement, la vie elle-même - est caractérisée par des macromolécules élégantes qui ont évolué sur des centaines de millions d'années pour remplir une gamme de fonctions critiques. Ceux-ci sont souvent classés en quatre types de base: les glucides (ou polysaccharides), les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Si vous avez des connaissances en nutrition, vous reconnaîtrez les trois premiers d'entre eux comme les trois macronutriments standard (ou « macros », dans le jargon des régimes) répertoriés sur les étiquettes d'information nutritionnelle. Le quatrième concerne deux molécules étroitement liées qui servent de base au stockage et à la traduction de l'information génétique dans tous les êtres vivants.

Chacune de ces quatre macromolécules de la vie, ou biomolécules, remplit une variété de fonctions; comme vous pouvez vous y attendre, leurs différents rôles sont exquisément liés à leurs divers composants et arrangements physiques.

UNE macromolécule

Un point important concernant les macromolécules biologiques est qu'à l'exception des lipides, leur les unités monomères sont polaires, ce qui signifie qu'elles ont une charge électrique qui n'est pas distribuée symétriquement. Schématiquement, ils ont des "têtes" et des "queues" avec des propriétés physiques et chimiques différentes. Parce que les monomères se rejoignent tête-bêche, les macromolécules elles-mêmes sont également polaires.

De plus, toutes les biomolécules contiennent des quantités élevées d'élément carbone. Vous avez peut-être entendu parler du type de vie sur Terre (en d'autres termes, le seul type dont nous savons avec certitude qu'il existe quelque part) appelé « vie à base de carbone », et avec raison. Mais et l'azote, l'oxygène, l'hydrogène et le phosphore sont également indispensables aux êtres vivants, et une foule d'autres éléments sont dans le mélange à des degrés moindres.

Il est presque certain que lorsque vous voyez ou entendez le mot « glucides », la première chose à laquelle vous pensez est « nourriture », et peut-être plus précisément, « quelque chose dans la nourriture sur lequel beaucoup de gens ont l'intention de « Lo-carb » et « no-carb » sont tous deux devenus des mots à la mode pour la perte de poids au début du 21e siècle, et le terme « carbo-loading » fait partie de la communauté des sports d'endurance depuis le années 1970. Mais en fait, les glucides sont bien plus qu'une simple source d'énergie pour les êtres vivants.

Les molécules de glucides ont toutes la formule (CH₂O)_m, où n est le nombre d'atomes de carbone présents. Cela signifie que le rapport C: H:O est de 1:2:1. Par exemple, les sucres simples glucose, fructose et galactose ont tous la formule C₆H₁₂O₆ (les atomes de ces trois molécules sont, bien entendu, disposés différemment).

Les glucides sont classés en monosaccharides, disaccharides et polysaccharides. Un monosaccharide est l'unité monomère des glucides, mais certains glucides ne sont constitués que d'un seul monomère, comme le glucose, le fructose et le galactose. Habituellement, ces monosaccharides sont les plus stables sous forme d'anneau, qui est représenté schématiquement par un hexagone.

Les disaccharides sont des sucres avec deux unités monomériques, ou une paire de monosaccharides. Ces sous-unités peuvent être les mêmes (comme dans le maltose, qui se compose de deux molécules de glucose jointes) ou différent (comme dans le saccharose, ou le sucre de table, qui se compose d'une molécule de glucose et d'un fructose molécule. Les liaisons entre les monosaccharides sont appelées liaisons glycosidiques.

Les polysaccharides contiennent au moins trois monosaccharides. Plus ces chaînes sont longues, plus elles sont susceptibles d'avoir des branches, c'est-à-dire de ne pas simplement être une ligne de monosaccharides d'un bout à l'autre. Des exemples de polysaccharides comprennent l'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine.

L'amidon a tendance à se former en hélice ou en spirale; ceci est courant dans les biomolécules de haut poids moléculaire en général. La cellulose, en revanche, est linéaire, constituée d'une longue chaîne de monomères de glucose avec des liaisons hydrogène intercalées entre les atomes de carbone à intervalles réguliers. La cellulose est un composant des cellules végétales et leur confère leur rigidité. Les humains ne peuvent pas digérer la cellulose, et dans l'alimentation, elle est généralement appelée « fibre ». La chitine est un autre glucide structurel, trouvé dans le corps externe des arthropodes comme les insectes, les araignées et Crabes. La chitine est un glucide modifié, car elle est « adultérée » avec de nombreux atomes d'azote. Le glycogène est la forme de stockage des glucides du corps; des dépôts de glycogène se trouvent à la fois dans le foie et les tissus musculaires. Grâce aux adaptations enzymatiques de ces tissus, les athlètes entraînés sont capables de stocker plus de glycogène que les personnes sédentaires en raison de leurs besoins énergétiques élevés et de leurs pratiques nutritionnelles.

Comme les glucides, les protéines font partie du vocabulaire quotidien de la plupart des gens en raison de leur rôle de macronutriment. Mais les protéines sont incroyablement polyvalentes, bien plus que les glucides. En effet, sans protéines, il n'y aurait ni glucides ni lipides car les enzymes nécessaires à la synthèse (ainsi qu'à la digestion) de ces molécules sont elles-mêmes des protéines.

Les monomères des protéines sont des acides aminés. Ceux-ci comprennent un groupe acide carboxylique (-COOH) et un groupe amino (-NH₂) grouper. Lorsque des acides aminés se joignent entre eux, c'est via une liaison hydrogène entre le groupe acide carboxylique de l'un des acides aminés et le groupe aminé de l'autre, avec une molécule d'eau (H₂O) libéré dans le processus. Une chaîne croissante d'acides aminés est un polypeptide, et lorsqu'elle est suffisamment longue et prend sa forme tridimensionnelle, c'est une protéine à part entière. Contrairement aux glucides, les protéines ne présentent jamais de branches; ils ne sont qu'une chaîne de groupes carboxyle liés à des groupes amino. Parce que cette chaîne doit avoir un début et une fin, une extrémité a un groupe amino libre et est appelée N-terminal, tandis que l'autre a un groupe amino libre et est appelée C-terminal. Parce qu'il y a 20 acides aminés, et ceux-ci peuvent être disposés dans n'importe quel ordre, la composition des protéines est extrêmement variée même si aucune ramification ne se produit.

Les protéines ont ce qu'on appelle une structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire fait référence à la séquence d'acides aminés dans la protéine et elle est déterminée génétiquement. La structure secondaire fait référence à la flexion ou à l'entortillement de la chaîne, généralement de manière répétitive. Certaines conformations comprennent une hélice alpha et une feuille plissée bêta et résultent de liaisons hydrogène faibles entre les chaînes latérales de différents acides aminés. La structure tertiaire est la torsion et l'enroulement de la protéine dans un espace tridimensionnel et peut impliquer des liaisons disulfure (soufre à soufre) et des liaisons hydrogène, entre autres. Enfin, la structure quaternaire fait référence à plus d'une chaîne polypeptidique dans la même macromolécule. Cela se produit dans le collagène, qui se compose de trois chaînes torsadées et enroulées ensemble comme une corde.

Les protéines peuvent servir d'enzymes, qui catalysent les réactions biochimiques dans le corps; comme hormones, telles que l'insuline et l'hormone de croissance; comme éléments structurels; et en tant que composants de la membrane cellulaire.

Les lipides sont un ensemble diversifié de macromolécules, mais ils partagent tous le trait d'être hydrophobes; c'est-à-dire qu'ils ne se dissolvent pas dans l'eau. En effet, les lipides sont électriquement neutres et donc non polaires, alors que l'eau est une molécule polaire. Les lipides comprennent les triglycérides (graisses et huiles), les phospholipides, les caroténoïdes, les stéroïdes et les cires. Ils sont principalement impliqués dans la formation et la stabilité des membranes cellulaires, forment des portions d'hormones et sont utilisés comme combustible stocké. Les graisses, un type de lipides, sont le troisième type de macronutriments, avec les glucides et les protéines évoqués précédemment. Par oxydation de leurs acides gras, ils apportent 9 calories par gramme contre 4 calories par gramme fournies à la fois par les glucides et les graisses.

Les lipides ne sont pas des polymères, ils se présentent donc sous diverses formes. Comme les glucides, ils sont constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Les triglycérides sont constitués de trois acides gras liés à une molécule de glycérol, un alcool à trois carbones. Ces chaînes latérales d'acides gras sont de longues et simples hydrocarbures. Ces chaînes peuvent avoir des doubles liaisons, et si elles en ont, cela rend l'acide gras insaturé. S'il n'y a qu'une seule double liaison, l'acide gras est monoinsaturés. S'il y en a deux ou plus, c'est polyinsaturé. Ces différents types d'acides gras ont des implications différentes sur la santé pour différentes personnes en raison de leurs effets sur les parois des vaisseaux sanguins. Les graisses saturées, qui n'ont pas de doubles liaisons, sont solides à température ambiante et sont généralement des graisses animales; ceux-ci ont tendance à provoquer des plaques artérielles et peuvent contribuer aux maladies cardiaques. Les acides gras peuvent être manipulés chimiquement et les graisses insaturées telles que les huiles végétales peuvent être saturées afin qu'elles soient solides et pratiques à utiliser à température ambiante, comme la margarine.

Les phospholipides, qui ont un lipide hydrophobe à une extrémité et un phosphate hydrophile à l'autre, sont un composant important des membranes cellulaires. Ces membranes sont constituées d'une bicouche phospholipidique. Les deux portions lipidiques, étant hydrophobes, font face à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule, tandis que les queues hydrophiles de phosphate se rejoignent au centre de la bicouche.

D'autres lipides comprennent les stéroïdes, qui servent d'hormones et de précurseurs d'hormones (par exemple, le cholestérol) et contiennent une série de structures annulaires distinctives; et les cires, qui comprennent la cire d'abeille et la lanoline.

Les acides nucléiques comprennent l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Ceux-ci sont très similaires structurellement car les deux sont des polymères dans lesquels les unités monomères sont nucléotides. Les nucléotides sont constitués d'un groupe sucre pentose, d'un groupe phosphate et d'un groupe base azotée. Dans l'ADN et l'ARN, ces bases peuvent être de l'un des quatre types; sinon, tous les nucléotides de l'ADN sont identiques, de même que ceux de l'ARN.

L'ADN et l'ARN diffèrent de trois manières principales. La première est que dans l'ADN, le sucre pentose est le désoxyribose, et dans l'ARN, c'est le ribose. Ces sucres diffèrent par exactement un atome d'oxygène. La deuxième différence est que l'ADN est généralement double brin, formant la double hélice découverte dans les années 1950 par l'équipe de Watson et Crick, mais l'ARN est simple brin. Le troisième est que l'ADN contient les bases azotées adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T), mais l'ARN a de l'uracile (U) substitué à la thymine.

L'ADN stocke des informations héréditaires. Les longueurs de nucléotides constituent gènes, qui contiennent les informations, via les séquences de bases azotées, pour fabriquer des protéines spécifiques. Beaucoup de gènes composent chromosomiques, et la somme totale des chromosomes d'un organisme (les humains ont 23 paires) est son génome. L'ADN est utilisé dans le processus de transcription pour fabriquer une forme d'ARN appelée ARN messager (ARNm). Cela stocke les informations codées d'une manière légèrement différente et les déplace hors du noyau cellulaire où se trouve l'ADN et dans le cytoplasme cellulaire, ou matrice. Ici, d'autres types d'ARN initient le processus de traduction, dans lequel des protéines sont fabriquées et distribuées dans toute la cellule.