21.3: Chimie de la cellule

La cellule est chimiquement composée d'eau, de molécules organiques et d'ions inorganiques.

L’eau

La polarité de la molécule d'eau et des liaisons hydrogène qui en résultent font de l'eau une substance unique aux propriétés spéciales qui sont intimement liées aux processus de la vie. À l’origine, la vie a évolué dans un environnement aqueux, et la majeure partie de la chimie et du métabolisme d’un organisme cellulaire se trouve à l’intérieur du contenu aqueux du cytoplasme de la cellule. Les propriétés spéciales de l'eau sont sa capacité thermique élevée et sa chaleur de vaporisation, sa capacité à dissoudre les molécules polaires, ses propriétés cohésives et adhésives, et sa dissociation en ions qui est à la base du pH. Comprendre ces caractéristiques de l'eau aide à élucider son importance dans le maintien de la vie.

L’une des propriétés importantes de l’eau est que c'est une molécule polaire : l’hydrogène et l’oxygène dans les molécules d’eau (H₂O) forment des liaisons covalentes polarisées. Bien qu'il n'y ait pas de charge nette sur une molécule d'eau, la polarité de l'eau crée une charge légèrement positive sur l'hydrogène et une charge légèrement négative sur l'oxygène, contribuant ainsi aux propriétés d'attraction de l'eau. L'eau génère des charges parce que l'oxygène est plus électronégatif que l'hydrogène, ce qui fait qu'il est probable qu'un électron commun soit plus près du noyau de l'oxygène que du noyau de l'hydrogène, générant ainsi la charge partielle négative près de l'oxygène.

En raison de la polarité de l'eau, chaque molécule d'eau attire d'autres molécules d'eau à cause des charges opposées entre les molécules d'eau, formant des liaisons hydrogène. De plus, l'eau attire ou est attirée par d'autres molécules polaires et ions. Une substance polaire qui interagit facilement avec l'eau ou se dissout dans l'eau est hydrophile. En revanche, les molécules apolaires telles que les huiles et les graisses n'interagissent pas bien avec l'eau. Ces composés apolaires sont hydrophobes.

Molécules organiques

Les protéines, les glucides, les acides nucléiques et les lipides sont les quatre principales classes de macromolécules biologiques, les grandes molécules nécessaires à la vie, qui sont fabriquées à partir de molécules organiques plus petites. Les macromolécules sont composées d'unités uniques que les scientifiques appellent des monomères qui sont joints par des liaisons covalentes pour former des polymères plus grands. Le polymère est plus que la somme de ses parties : il acquiert de nouvelles caractéristiques et conduit à une pression osmotique beaucoup plus faible que celle formée par ses ingrédients. C'est un avantage important dans le maintien des conditions osmotiques cellulaires. Un monomère se joint à un autre monomère avec la libération d'une molécule d'eau, ce qui conduit à la formation d'une liaison covalente. Les scientifiques appellent cela des réactions de déshydratation ou de condensation. Lorsque les polymères se décomposent en unités plus petites (monomères), ils utilisent une molécule d'eau pour chaque liaison rompue par ces réactions. De telles réactions sont des réactions d'hydrolyse. Les réactions de déshydratation et d'hydrolyse sont similaires pour toutes les macromolécules, mais chaque réaction de monomère et de polymère est spécifique à sa catégorie. Les réactions de déshydratation nécessitent généralement un investissement d'énergie pour la formation de nouvelles liaisons, tandis que les réactions d'hydrolyse libèrent généralement de l'énergie en cassant les liaisons.

Glucides Les glucides sont un groupe de macromolécules qui sont une source d'énergie vitale pour la cellule et fournissent un soutien structurel aux cellules végétales, aux champignons et à tous les arthropodes parmi lesquels sont compris les homards, les crabes, les crevettes, les insectes et les araignées. Les glucides peuvent être classés en monosaccharides, disaccharides et polysaccharides. Le stockage du glucose, sous forme de polymères comme l'amidon ou le glycogène, le rend légèrement moins accessible pour le métabolisme ; cependant, cela l'empêche de s'échapper de la cellule ou de créer une pression osmotique élevée qui pourrait entrainer la cellule à absorber une quantité excessive d'eau.

Protéines Les protéines sont une classe de macromolécules qui remplissent diverses fonctions pour la cellule. Elles aident au métabolisme en agissant comme enzymes, porteurs ou hormones et fournissent un soutien structurel. Les éléments constitutifs des protéines sont les acides aminés.

Lipides Les lipides sont une catégorie de macromolécules de nature non polaire et hydrophobe. Les principaux types comprennent les graisses et les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes. Les graisses sont une forme stockée d'énergie et sont également connues sous le nom de triacylglycérols ou triglycérides. Le cholestérol est un type de stéroïde et c'est un constituant important de la membrane plasmatique, où il aide à maintenir la nature fluide de la membrane.

Acides nucléiques les acides nucléiques sont des molécules composées de nucléotides qui dirigent les activités cellulaires telles que la division cellulaire et la synthèse des protéines. Il existe deux types d'acides nucléiques : l'ADN et l'ARN. L'ADN porte le plan génétique de la cellule et le transmet des parents à la progéniture. L'ARN est impliqué dans la synthèse des protéines et sa régulation.

Ions inorganiques

Les ions inorganiques représentent moins de 1 % de la masse de la cellule, mais ils sont essentiels à la fonction cellulaire. Ceux qui se trouvent dans une cellule comprennent le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium, le phosphate et le chlorure.

Ce texte a été adapté de Openstax, Biologie 2e, unité 1 : La chimie de la vie.

Les cellules sont les éléments de base des organismes vivants. Ils sont composés majoritairement d'eau, de molécules organiques, et les ions inorganiques. L'eau constitue environ 70%de la cellule.

Cet environnement aqueux dans le cytoplasme est essentiel à la structure de la cellule et pour de nombreuses réactions qui se produisent en son sein. L'eau est une molécule hautement polaire, il interagira donc avec d'autres molécules polaires et les ions dans la cellule mais pas avec les non polaires. L'environnement hydrophile du cytoplasme favorise la formation des structures tridimensionnelles des protéines, avec des acides aminés non polaires au centre et polaires à la surface.

En cas de formation de membrane, groupes de tête polaire de phospholipides interagissent avec l'eau. En revanche, les queues non polaires interagissent les uns avec les autres créant une barrière hydrophobe à l'extérieur de la cellule. Le pH des fluides biologiques dans la cellule et ses compartiments est précisément tamponné.

Le pH du cytoplasme est d'environ 7, 2 et il est régulé par des molécules telles que les ions phosphate. En revanche, le pH dans les lysosomes, des compartiments cellulaires spécialisés, est d'environ 5. C'est parce que les lysosomes contiennent des enzymes qui fonctionnent de manière optimale dans des environnements acides.

Les molécules organiques de la cellule comprennent glucides, protéines, lipides et nucléotides. Toutes ces différentes macromolécules ont une variété de rôles. Les glucides sont une principale source d'énergie pour alimenter divers processus métaboliques;cependant, la cellule peut décomposer les protéines et les lipides pour le carburant aussi bien.

Les protéines peuvent être des enzymes qui catalysent les réactions, ou ils peuvent contribuer à la structure cellulaire. Les lipides sont un composant important des membranes cellulaires. De plus, ces macromolécules peuvent se lier de manière covalente pour former des conjugués tels que les glycoprotéines et les glycolipides, souvent retrouvés dans les membranes cellulaires.

Les nucléotides servent de matériel génétique et s'associent également aux protéines pour former les nucléoprotéines qui emballent étroitement l'ADN dans une cellule. Le nucléotide ATP est également la source d'énergie pour de nombreux processus cellulaires. Les ions inorganiques essentiels à la fonction cellulaire comprennent le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium, le phosphate, et le chlorure.

Bien que ces ions constituent moins de 1%de la masse cellulaire, ils ont des rôles divers au sein de la cellule. Par exemple, des ions tels que le calcium sont utilisés pour relayer des signaux biologiques à travers une cellule, tandis que le magnésium est essentiel pour l'activité catalytique de nombreuses enzymes.