Macromolécules

Biomolécules

Les organismes contiennent une grande variété de molécules organiques avec de nombreuses fonctions qui dépendent des structures chimiques et des propriétés de ces molécules. Toutes les molécules organiques contiennent un squelette de carbone et des atomes d’hydrogène. L’atome de carbone joue un rôle central dans la formation d’une grande variété de molécules organiques de taille, de forme et de complexité diverses. Les molécules inorganiques, en revanche, ont généralement des structures plus simples. La couche la plus externe d’un atome de carbone libre peut accueillir huit électrons, mais n’est occupée que par quatre électrons, elle peut donc former quatre liaisons covalentes et se lier avec jusqu’à quatre atomes. Alternativement, il peut également se lier avec moins d’atomes en formant des liaisons doubles ou triples. Cette polyvalence des atomes de carbone permet aux molécules organiques d’afficher des structures complexes, telles que des chaînes, des branches et des anneaux, entre autres.

Les molécules organiques naturellement présentes dans les organismes sont appelées biomolécules. Outre le carbone et l’hydrogène, les biomolécules contiennent également d’autres éléments tels que l’oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre. En général, de plus petites unités de biomolécules se regroupent, sous forme de séquences répétitives, pour former des biomolécules plus grandes. Ces petites unités modulaires de biomolécules sont appelées monomères. Deux monomères se joignent généralement pour former un dimère par un processus connu sous le nom de synthèse par déshydratation, qui consiste simplement à retirer un atome d’hydrogène d’un monomère et un ion hydroxyle (OH^-) de l’autre monomère pour créer une molécule d’eau à expulser tout en liant les deux monomères avec une liaison covalente. L’inverse de ce processus s’appelle l’hydrolyse, dans laquelle la molécule se divise en ses monomères d’origine, une molécule d’eau fournissant un atome d’hydrogène à un monomère et un ion hydroxyle à l’autre. De nombreux monomères peuvent être attachés ensemble par déshydratation pour former des polymères. Parfois, différents polymères peuvent s’assembler pour former des molécules encore plus grandes et plus complexes, appelées macromolécules biologiques.

Les biomolécules sont classées en fonction des éléments qui les composent, ainsi que de leur structure et de leur fonction à l’intérieur des organismes vivants. Presque toutes les biomolécules peuvent être classées dans l’une des quatre grandes catégories : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques.

Glucides

Les glucides signifient simplement « eau carbonée » car ces molécules sont composées d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène dans un rapport d’environ 1:2:1. Les monomères glucidiques sont connus sous le nom de monosaccharides, également appelés sucres simples. Le glucose (C₆H₁₂O₆) est le monosaccharide le plus courant dans les organismes vivants et est une sous-unité de nombreux polysaccharides. De nombreux organismes synthétisent également d’autres monosaccharides à six atomes de carbone avec la même formule chimique que le glucose, mais des structures légèrement différentes, comme le fructose et le galactose. Lorsque deux monosaccharides sont liés ensemble, ils forment des disaccharides. Par exemple, le saccharose est composé de glucose et de fructose, tandis que le lactose contient du glucose et du galactose. Ces monosaccharides et disaccharides sont utilisés pour le stockage d’énergie à court terme dans les organismes vivants. Le maltose est un autre disaccharide composé de deux molécules de glucose et se forme généralement lorsque les chaînes polysaccharidiques telles que l’amidon et le glycogène sont décomposées pendant la digestion. L’amidon est un polysaccharide qui sert de molécule de stockage d’énergie dans les plantes et est composé de deux types de polymères de glucose : l’amylose et l’amylopectine. L’amylose constitue 10 à 20 % de l’amidon et est un polymère hélicoïdal du glucose. L’amylopectine constitue la majeure partie de l’amidon et est un polymère ramifié du glucose. Le glycogène est pratiquement le même que l’amidon, mais il est synthétisé, stocké et utilisé dans le foie et les tissus musculaires des animaux.

En plus de servir de réserves d’énergie, les glucides ont également d’autres fonctions dans les organismes. Les monosaccharides à cinq atomes de carbone, le ribose et le désoxyribose, sont intégrés dans la structure des acides nucléiques et sont présents dans chaque cellule vivante. De plus, le polysaccharide cellulose, qui est un long polymère composé de glucose, sert de matériau structurel rigide chez les plantes. Les humains n’ont pas d’enzymes digestives pour décomposer la cellulose dans les aliments, également appelée fibre alimentaire. Cependant, la consommation de fibres alimentaires aide à maintenir une flore intestinale saine, ce qui contribue à la santé des systèmes digestif et immunitaire¹. À l’instar des plantes, certains animaux et champignons utilisent un autre polysaccharide, la chitine, comme molécule structurelle. Les arthropodes utilisent la chitine pour construire et entretenir leurs exosquelettes, tandis que les champignons l’incorporent dans leurs parois cellulaires pour maintenir la rigidité.

Lipide

La deuxième classe de macromolécules biologiques sont les lipides, qui comprennent les graisses, les huiles et les cires. Les lipides sont des molécules hydrophobes presque entièrement constituées d’atomes de carbone et d’hydrogène. Souvent, les lipides sont regroupés en trois grandes catégories ; triglycérides, phospholipides et stéroïdes.

Le type de lipide le plus courant est les triglycérides, qui comprennent les graisses d’origine animale et les huiles de plantes. Les triglycérides servent généralement de molécules de stockage d’énergie à long terme, à l’exception des cires non digestibles, qui sont plutôt utilisées comme substance imperméabilisante chez les plantes et les animaux. Les triglycérides contiennent trois chaînes d’acides gras, qui peuvent être saturées ou insaturées, reliées à une molécule de glycérol. Les chaînes d’acides gras saturés sont des molécules linéaires avec un nombre maximal d’atomes d’hydrogène, où chaque carbone de la chaîne est connecté par une seule liaison. D’autre part, les chaînes d’acides gras insaturés ont des plis dus à la présence d’au moins une double liaison. De plus, les graisses insaturées peuvent être des graisses « trans » si les hydrogènes autour de la double liaison s’opposent les uns aux autres. Bien que les gras trans soient naturellement présents, ils sont générés lors de la production industrielle d’huiles végétales saturées d’hydrogène. Semblables aux acides gras saturés, les gras trans s’empilent très bien en raison de leur linéarité relative. Cependant, les gras trans causent des problèmes pour la santé cardiaque humaine, tels que l’endommagement de la muqueuse des artères et l’inflammation lors de la digestion².

Les phospholipides sont similaires aux triglycérides, cependant, l’une des chaînes d’acides gras est remplacée par un groupe polaire contenant du phosphate. Par conséquent, les phospholipides ont une tête hydrophile et deux queues d’acides gras hydrophobes. Ces propriétés des phospholipides sont cruciales pour la structure et la fonction de la membrane cellulaire.

Les stéroïdes sont des lipides composés d’anneaux de carbone fusionnés avec des groupes fonctionnels variables. Le cholestérol est un stéroïde qui est également un composant de la membrane cellulaire. De plus, le cholestérol est utilisé pour synthétiser d’autres stéroïdes, y compris les hormones sexuelles telles que l’œstrogène et la testostérone. Bien que le cholestérol soit essentiel à la structure de la membrane cellulaire et à la synthèse hormonale, des niveaux élevés de cholestérol plasmatique sont impliqués dans l’accumulation de plaque à l’intérieur des vaisseaux sanguins et provoquent des maladies coronariennes³.

Protéine

La troisième classe de macromolécules biologiques sont les protéines, qui sont constituées de chaînes d’acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents, tous avec une structure de base similaire, mais chacun a une chaîne latérale unique appelée « groupe R ». Un seul acide aminé a une extrémité N-terminale qui est un groupe amino (NH₃⁺) et une extrémité C-terminale qui est un groupe carboxyle (-COOH). Ces groupes se lient, N-terminal à C-terminal, dans une chaîne reliée par des liaisons peptidiques. Les protéines sont importantes pour le maintien des fonctions corporelles en tant qu’enzymes, hormones, composants structurels et molécules de transport, et jouent un rôle essentiel dans la contractibilité musculaire, l’immunité et la coagulation du sang. Cependant, des problèmes peuvent survenir dans la structure et la fonction des protéines, et ces problèmes sont souvent génétiques. Par exemple, les globules rouges normaux sont ronds, mais chez les personnes atteintes d’anémie falciforme, les cellules ont une forme incurvée avec une région hydrophobe exposée, causée par une mutation dans une protéine appelée hémoglobine S. Cette forme réduit la capacité de transport de l’oxygène et provoque le coincement des cellules dans les vaisseaux sanguins. Cela se traduit par de nombreux symptômes néfastes pour la personne porteuse de la mutation, et les personnes qui héritent de deux copies du gène de la drépanocytose souffrent souvent d’effets néfastes ou même meurent peut-être en raison de la capacité réduite des cellules falciformes à transporter l’oxygène. De quelque manière, les personnes qui ne portent qu’une seule copie du gène sont résistantes à l’infection par le paludisme, de sorte que la maladie a pu être transmise et persiste dans les pays où les taux d’infection palustre sont élevés4.

Acides nucléiques

La quatrième classe de macromolécules biologiques sont les acides nucléiques, qui sont composés de monomères appelés nucléotides. Ces monomères sont composés de trois parties : un groupe phosphate, un sucre ribose et une base azotée. Les nucléotides diffèrent les uns des autres par leurs bases azotées et le type de ribose qu’ils contiennent. Les nucléotides simples agissent généralement comme des transporteurs d’énergie à l’intérieur des cellules, et fonctionnent comme des molécules messagères. Cependant, les polymères nucléotidiques ou acides nucléiques tels que l’acide désoxyribonucléique (ADN) ou l’acide ribonucléique (ARN) sont des molécules héréditaires qui contiennent l’information génétique nécessaire à la construction de produits cellulaires.

Détection de macromolécules

Les macromolécules biologiques présentes dans les aliments ou d’autres substances peuvent être détectées en utilisant leurs propriétés chimiques spécifiques. Par exemple, les monosaccharides ont des groupes aldéhyde libre (-CHO) ou cétone (-C=O) qui peuvent réduire d’autres composés, ce qui signifie qu’ils sont des substances qui font perdre des électrons à d’autres molécules, donc les monosaccharides sont également connus sous le nom de sucres réducteurs. Cette propriété est utilisée pour détecter la présence de monosaccharides avec un indicateur appelé réactif de Bénédicte. Cet indicateur contient des ions cuivre (Cu²⁺) qui sont réduits par les monosaccharides, comme observé avec un changement de couleur de la solution du bleu à un orange rougeâtre, bien que l’intensité de la couleur varie en fonction de la concentration initiale du sucre réducteur. Ainsi, l’observation d’une couleur verte signifie qu’il n’y a qu’une petite quantité de sucres réducteurs présents dans la solution. L’amylose contenue dans l’amidon existe dans une structure enroulée en raison des angles de liaison dans la chaîne polymère. L’indicateur d’iode, l’iodure de potassium (IKI), réagit avec ces molécules enroulées et va transformer la solution en un noir bleuâtre foncé pour indiquer la présence d’amylose. Cependant, si l’amylose d’amidon n’est pas présente, la réaction n’aura pas lieu et la solution restera de couleur brun jaunâtre. Un test Sudan IV est effectué pour tester la présence de lipides. Ce colorant est lipophile et solubilise lorsque des lipides sont présents, ainsi une couleur rouge est conservée en présence de lipides. Le réactif de Biuret, indicateur de la présence de protéines, contient des ions cuivre (Cu²⁺) qui réagissent avec les liaisons peptidiques et font passer la solution du bleu au violet foncé. Ce réactif doit réagir avec un nombre suffisant de ces liaisons peptidiques pour produire la couleur violette attendue, de sorte qu’une couleur rosâtre se produira si les chaînes d’acides aminés ne sont pas assez longues.

Références

1. Rasnik K. Singh, Hsin-Wen Chang, Di Yan, Kristina M. Lee, Derya Ucmak, Kirsten Wong, Michael Abrouk, Benjamin Farahnik, Mio Nakamura, Tian Hao Zhu, Tina Bhutani, Wilson Liao. Influence de l’alimentation sur le microbiome intestinal et implications pour la santé humaine. J Transl Med. 2017, vol. 15, 73 doi : 10.1186/s12967-017-1175-y.
2. Siri-Tarino PW, Sun Q, Hu FB, Krauss RM. Méta-analyse d’études de cohorte prospectives évaluant l’association des graisses saturées avec les maladies cardiovasculaires. Am J Clin Nutr. 2010, vol. 91, 3 (535-46).
3. Joseph L. Goldstein, Michael S. Brown. Un siècle de cholestérol et de coronaires : des plaques aux gènes en passant par les statines. cellule. 2015, vol. 161, 1 (161-72).
4. Michael Aidoo, Dianne J Terlouw, Margarette S Kolczak, Peter D McElroy, Feiko O ter Kuile, Simon Kariuki, Bernard L Nahlen, Altaf A Lal, Venkatachalam Udhayakumar. Effets protecteurs du gène de la drépanocytose contre la morbidité et la mortalité du paludisme. lancette. 2002, vol. 359, 9314 (1311-1312).