Biomolécules: Classification et fonctions principales

Les biomolécules sont des molécules générées chez les êtres vivants. Le préfixe "bio" signifie la vie; par conséquent, une biomolécule est une molécule produite par un être vivant. Les êtres vivants sont constitués de différents types de molécules qui remplissent diverses fonctions nécessaires à la vie.

Dans la nature, il existe des systèmes biotiques (vivants) et abiotiques (non vivants) qui interagissent et, dans certains cas, échangent des éléments. Une caractéristique commune à tous les êtres vivants est qu'ils sont organiques, ce qui signifie que leurs molécules constitutives sont formées par des atomes de carbone.

Les biomolécules ont également en commun d'autres atomes que le carbone. Ces atomes comprennent principalement l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le phosphore et le soufre. Ces éléments sont également appelés bioéléments car ils constituent le composant principal des molécules biologiques.

Cependant, il existe d'autres atomes qui sont également présents dans certaines biomolécules, bien qu'en quantités plus faibles. Ce sont généralement des ions métalliques tels que le potassium, le sodium, le fer et le magnésium, entre autres. En conséquence, les biomolécules peuvent être de deux types: organiques ou inorganiques.

Ainsi, les organismes sont constitués de nombreux types de molécules à base de carbone, par exemple: sucres, graisses, protéines et acides nucléiques. Cependant, il existe d'autres composés qui sont également à base de carbone et qui ne font pas partie des biomolécules.

Ces molécules qui contiennent du carbone mais ne se trouvent pas dans les systèmes biologiques peuvent se trouver dans la croûte terrestre, dans les lacs, les mers et les océans, ainsi que dans l'atmosphère. Le mouvement de ces éléments dans la nature est décrit dans ce que l'on appelle les cycles biogéochimiques.

On pense que ces molécules organiques simples présentes dans la nature sont celles qui ont donné naissance aux biomolécules les plus complexes qui font partie de la structure fondamentale de la vie: la cellule. Ce qui précède est ce que l’on appelle la théorie de la synthèse abiotique.

Classification et fonctions des biomolécules

Les biomolécules sont diverses en taille et en structure, ce qui leur confère des caractéristiques uniques pour la performance des différentes fonctions nécessaires à la vie. Ainsi, les biomolécules agissent entre autres comme stockage d’informations, source d’énergie, support, métabolisme cellulaire.

Les biomolécules peuvent être classées en deux grands groupes, basés sur la présence ou non d'atomes de carbone.

Biomolécules inorganiques

Ce sont toutes ces molécules présentes chez les êtres vivants et qui ne contiennent pas de carbone dans leur structure moléculaire. Des molécules inorganiques peuvent également être trouvées dans d'autres systèmes (non vivants) de la nature.

Les types de biomolécules inorganiques sont les suivants:

De l'eau

C'est le composant principal et fondamental des êtres vivants, c'est une molécule formée par un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène. L'eau est essentielle à la vie et constitue la biomolécule la plus répandue.

L'eau représente entre 50 et 95% du poids de tout être vivant, car il est nécessaire de remplir plusieurs fonctions importantes, telles que la régulation thermique et le transport de substances.

Sels minéraux

Ce sont de simples molécules formées par des atomes de charge opposée qui se séparent complètement dans l'eau. Par exemple: chlorure de sodium, formé d'un atome de chlore (chargé négativement) et d'un atome de sodium (chargé positivement).

Les sels minéraux participent à la formation de structures rigides, telles que les os de vertébrés ou l'exosquelette d'invertébrés. Ces biomolécules inorganiques sont également nécessaires à la réalisation de nombreuses fonctions cellulaires importantes.

Gaz

Ce sont des molécules qui se présentent sous forme de gaz. Ils sont fondamentaux pour la respiration des animaux et la photosynthèse chez les plantes.

Des exemples de ces gaz sont: l'oxygène moléculaire, formé de deux atomes d'oxygène liés l'un à l'autre; et le dioxyde de carbone, formé par un atome de carbone lié à deux atomes d'oxygène. Les deux biomolécules participent à l'échange gazeux que les êtres vivants ont avec leur environnement.

Biomolécules organiques

Les biomolécules organiques sont les molécules qui contiennent des atomes de carbone dans leur structure. Les molécules organiques peuvent également être trouvées dans la nature, faisant partie de systèmes non vivants, et constituent ce que l'on appelle la biomasse.

Les types de biomolécules organiques sont les suivants:

Glucides

Les glucides sont probablement les substances organiques les plus abondantes et les plus répandues dans la nature et sont des composants essentiels de tout ce qui vit.

Les glucides sont produits par les plantes vertes à partir de dioxyde de carbone et d’eau au cours du processus de photosynthèse.

Ces biomolécules sont principalement formées d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils sont également connus sous le nom de glucides ou de saccharides, et fonctionnent comme sources d'énergie et comme composants structurels d'organismes.

- Monosaccharides

Les monosaccharides sont les glucides les plus simples et sont souvent appelés sucres simples. Ce sont les blocs de construction élémentaires à partir desquels se forment tous les plus gros glucides.

Les monosaccharides ont la formule moléculaire générale (CH2O) n, où n peut être égal à 3, 5 ou 6. Ainsi, les monosaccharides peuvent être classés en fonction du nombre d'atomes de carbone présents dans la molécule:

Si n = 3, la molécule est une triose. Par exemple: glycéraldéhyde.

Si n = 5, la molécule est un pentose. Par exemple: ribose et désoxyribose.

Si n = 6, la molécule est un hexose. Par exemple: fructose, glucose et galactose.

Les pentoses et les hexoses peuvent exister sous deux formes: cyclique et non cyclique. Dans la forme non cyclique, leurs structures moléculaires présentent deux groupes fonctionnels: un groupe aldéhyde ou un groupe cétone.

Les monosaccharides qui contiennent le groupe aldéhyde sont appelés aldoses et ceux qui possèdent un groupe cétone sont appelés cétoses. Les aldoses sont des sucres réducteurs, tandis que les cétoses sont des sucres non réducteurs.

Cependant, dans l’eau, les pentoses et les hexoses existent principalement sous forme cyclique et c’est sous cette forme qu’ils se combinent pour former des molécules de saccharide plus grosses.

- Disaccharides

La plupart des sucres présents dans la nature sont des disaccharides. Celles-ci sont formées par la formation d'une liaison glycosidique entre deux monosaccharides, par le biais d'une réaction de condensation qui libère de l'eau. Ce processus de formation de liaison nécessite de l’énergie pour maintenir ensemble les deux unités monosaccharidiques.

Les trois principaux disaccharides sont le saccharose, le lactose et le maltose. Ils sont formés par la condensation des monosaccharides appropriés. Le saccharose est un sucre non réducteur, alors que le lactose et le maltose sont des sucres réducteurs.

Les disaccharides sont solubles dans l’eau, mais ce sont de très grosses biomolécules permettant de traverser la membrane cellulaire par diffusion. Pour cette raison, ils sont décomposés dans l'intestin grêle lors de la digestion, de sorte que leurs composants fondamentaux (les monosaccharides) passent dans le sang et dans les autres cellules.

Les monosaccharides sont utilisés très rapidement par les cellules. Cependant, si une cellule n'a pas besoin d'énergie immédiatement, elle peut la stocker sous forme de polymères plus complexes. Ainsi, les monosaccharides sont convertis en disaccharides par les réactions de condensation qui se produisent dans la cellule.

- Oligosaccharides

Les oligosaccharides sont des molécules intermédiaires formées de trois à neuf unités de sucres simples (monosaccharides). Ils se forment en décomposant partiellement des glucides plus complexes (polysaccharides).

La plupart des oligosaccharides naturels se trouvent dans les plantes et, à l'exception de la maltotriose, sont indigestes par l'homme car le corps humain ne possède pas les enzymes nécessaires dans l'intestin grêle pour les décomposer.

Dans le gros intestin, des bactéries bénéfiques peuvent décomposer les oligosaccharides par fermentation; ainsi, ils sont transformés en nutriments absorbables qui fournissent de l'énergie. Certains produits de dégradation des oligosaccharides peuvent avoir un effet bénéfique sur la muqueuse du gros intestin.

Des exemples d'oligosaccharides comprennent le raffinose, un trisaccharide de légumineuses et certaines céréales composées de glucose, de fructose et de galactose. La maltotriose, un trisaccharide de glucose, est produite dans certaines plantes et dans le sang de certains arthropodes.

- Polysaccharides

Les monosaccharides peuvent subir une série de réactions de condensation, ajoutant une unité après l'autre à la chaîne jusqu'à la formation de très grosses molécules. Ce sont les polysaccharides.

Les propriétés des polysaccharides dépendent de plusieurs facteurs de leur structure moléculaire: la longueur, les branches latérales, le repliement et si la chaîne est "droite" ou "funky". Il existe plusieurs exemples de polysaccharides dans la nature.

L'amidon est souvent produit dans les plantes pour stocker de l'énergie et se compose de polymères d'α-glucose. Si le polymère est ramifié, il s'appelle amylopectine et s'il n'est pas ramifié, il s'appelle amylose.

Le glycogène est le polysaccharide de réserve d'énergie chez les animaux et consiste en amylopectines. Ainsi, l’amidon des plantes se dégrade dans le corps pour produire du glucose, qui pénètre dans la cellule et est utilisé dans le métabolisme. Le glucose non utilisé polymérise et forme du glycogène, le dépôt d’énergie.

Les lipides

Les lipides sont un autre type de biomolécules organiques dont la caractéristique principale est qu'ils sont hydrophobes (ils repoussent l'eau) et, par conséquent, ils sont insolubles dans l'eau. Selon leur structure, les lipides peuvent être classés en 4 groupes principaux:

- Triglycérides

Les triglycérides sont formés par une molécule de glycérol liée à trois chaînes d'acides gras. Un acide gras est une molécule linéaire qui contient à une extrémité un acide carboxylique, suivi d'une chaîne hydrocarbonée et d'un groupe méthyle à l'autre extrémité.

Selon leur structure, les acides gras peuvent être saturés ou non saturés. Si la chaîne hydrocarbonée ne contient que des liaisons simples, il s'agit d'un acide gras saturé. Inversement, si cette chaîne hydrocarbonée comporte une ou plusieurs doubles liaisons, l'acide gras est insaturé.

Dans cette catégorie sont les huiles et les graisses. Les premiers sont la réserve énergétique des plantes, elles ont des insaturations et sont liquides à température ambiante. Au contraire, les graisses sont les réserves d’énergie des animaux, elles sont des molécules saturées et solides à la température ambiante.

Phospholipides

Les phospholipides sont similaires aux triglycérides en ce qu'ils possèdent une molécule de glycérol liée à deux acides gras. La différence est que les phospholipides ont un groupe phosphate dans le troisième carbone du glycérol, au lieu d’une autre molécule d’acide gras.

Ces lipides sont très importants en raison de la manière dont ils peuvent interagir avec l’eau. En ayant un groupe phosphate à une extrémité, la molécule devient hydrophile (attire l'eau) dans cette région. Cependant, il reste hydrophobe dans le reste de la molécule.

En raison de leur structure, les phospholipides ont tendance à être organisés de manière à ce que les groupes phosphate puissent interagir avec le milieu aqueux, tandis que les chaînes hydrophobes à l'intérieur desquelles ils s'organisent sont loin de l'eau. Ainsi, les phospholipides font partie de toutes les membranes biologiques.

- stéroïdes

Les stéroïdes sont constitués de quatre cycles en carbone fondu, qui sont reliés par différents groupes fonctionnels. L'un des plus importants est le cholestérol, il est essentiel pour les êtres vivants. C'est le précurseur de certaines hormones importantes telles que l'œstrogène, la testostérone et la cortisone, entre autres.

- Cires

Les cires sont un petit groupe de lipides qui ont une fonction protectrice. On les trouve dans les feuilles des arbres, dans les plumes des oiseaux, dans les oreilles de certains mammifères et dans des endroits qui doivent être isolés ou protégés de l'environnement extérieur.

Acides nucléiques

Les acides nucléiques sont les principales molécules de transport de l'information génétique chez les êtres vivants. Sa fonction principale est de diriger le processus de synthèse des protéines, qui détermine les caractéristiques héréditaires de chaque être vivant. Ils sont composés d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de phosphore.

Les acides nucléiques sont des polymères formés par la répétition de monomères, appelés nucléotides. Chaque nucléotide consiste en une base aromatique contenant de l'azote lié à un sucre pentose (cinq atomes de carbone), lui-même lié à un groupe phosphate.

Les deux principales classes d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L'ADN est la molécule qui contient toutes les informations d'une espèce, raison pour laquelle il est présent dans tous les êtres vivants et dans la plupart des virus.

L'ARN est le matériel génétique de certains virus, mais on le trouve également dans toutes les cellules vivantes. Il y joue des rôles importants dans certains processus, tels que la fabrication de protéines.

Chaque acide nucléique contient quatre des cinq bases possibles contenant de l'azote: adénine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) et uracile (U). L'ADN a les bases adénine, guanine, cytosine et thymine, tandis que l'ARN en a de même sauf la thymine, qui est remplacée par l'uracile dans l'ARN.

- Acide désoxyribonucléique (ADN)

La molécule d'ADN est composée de deux chaînes de nucléotides liés par des liaisons appelées liaisons phosphodiester. Chaque chaîne a une structure en forme d'hélice. Les deux hélices s'entrelacent pour donner une double hélice. Les bases sont à l'intérieur de l'hélice et les groupes phosphate sont à l'extérieur.

L'ADN est composé d'une chaîne principale de sucre désoxyribose liée à un phosphate et de quatre bases azotées: adénine, guanine, cytosine et thymine. Des paires de bases sont formées dans l'ADN double brin: l'adénine se lie toujours à la thymine (AT) et la guanine à la cytosine (GC).

Les deux hélices sont maintenues ensemble en faisant correspondre les bases des nucléotides par des liaisons hydrogène. La structure est parfois décrite comme une échelle où les chaînes de sucre et de phosphate sont les côtés et les liaisons base-base sont les échelons.

Cette structure, associée à la stabilité chimique de la molécule, fait de l’ADN le matériau idéal pour transmettre des informations génétiques. Lorsqu'une cellule se divise, son ADN est copié et passe d'une génération de cellules à la génération suivante.

- Acide ribonucléique (ARN)

L'ARN est un polymère d'acide nucléique dont la structure est formée par une seule chaîne de nucléotides: l'adénine, la cytosine, la guanine et l'uracile. Comme dans l'ADN, la cytosine se lie toujours à la guanine (CG) mais l'adénine se lie à l'uracile (AU).

C'est le premier intermédiaire dans le transfert d'informations génétiques dans les cellules. L'ARN est essentiel à la synthèse des protéines, car les informations contenues dans le code génétique sont généralement transmises de l'ADN à l'ARN, puis des protéines.

Certains ARN ont également des fonctions directes dans le métabolisme cellulaire. L'ARN est obtenu en copiant la séquence de bases d'un segment d'ADN appelé gène dans une portion d'acide nucléique simple brin. Ce processus, appelé transcription, est catalysé par une enzyme appelée ARN polymérase.

Il existe plusieurs types d'ARN, principalement trois: le premier est l'ARN messager, qui est directement copié de l'ADN par transcription. Le second type est l'ARN de transfert, qui transfère les acides aminés appropriés pour la synthèse des protéines.

Enfin, l’autre classe d’ARN est l’ARN ribosomal qui, avec certaines protéines, forme les ribosomes, organites cellulaires responsables de la synthèse de toutes les protéines de la cellule.

Protéines

Les protéines sont de grosses molécules complexes qui remplissent de nombreuses fonctions importantes et effectuent la majeure partie du travail dans les cellules. Ils sont nécessaires à la structure, à la fonction et à la régulation des êtres vivants. Ils sont composés d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote.

Les protéines sont constituées d'unités plus petites appelées acides aminés, liées entre elles par des liaisons peptidiques et formant de longues chaînes. Les acides aminés sont de petites molécules organiques aux propriétés physicochimiques très particulières, il en existe 20 types différents.

La séquence d'acides aminés détermine la structure tridimensionnelle unique de chaque protéine et sa fonction spécifique. En fait, les fonctions des protéines individuelles sont aussi variées que leurs séquences d'acides aminés uniques, qui déterminent les interactions génératrices de structures tridimensionnelles complexes.

Fonctions variées

Les protéines peuvent être des composants structurels et de mouvement pour la cellule, tels que l'actine. D'autres fonctionnent en accélérant les réactions biochimiques au sein de la cellule, telles que l'ADN polymérase, qui est l'enzyme qui synthétise l'ADN.

Il existe d'autres protéines dont la fonction est de transmettre un message important à l'organisme. Par exemple, certains types d'hormones, telles que l'hormone de croissance, transmettent des signaux pour coordonner les processus biologiques entre différents cellules, tissus et organes.

Certaines protéines se lient et transportent des atomes (ou petites molécules) à l’intérieur des cellules; C'est le cas de la ferritine, responsable du stockage du fer chez certains organismes. Les anticorps, appartenant au système immunitaire, sont également responsables de la détection des toxines et des agents pathogènes.

Ainsi, les protéines sont les produits finaux du processus de décodage de l'information génétique commençant par l'ADN cellulaire. Cette incroyable variété de fonctions est dérivée d'un code étonnamment simple, capable de spécifier un ensemble de structures extrêmement divers.