Classification des biomolécules et fonctions principales

Le biomolécules ce sont des molécules qui sont 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 composés 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 constituantes sont formées par des atomes de carbone.

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

Cependant, il y a d'autres atomes qui sont également présents dans certaines biomolécules, mais en plus petites quantités. 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 composés de nombreux types de molécules à base de carbone, par exemple les sucres, les graisses, les protéines et les 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 être trouvées 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 qu'on appelle les cycles biogéochimiques.

On pense que ces molécules organiques simples trouvées 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 qu'on appelle la théorie de la synthèse abiotique.

Index

• 1 Classification et fonctions des biomolécules
  • 1.1 Biomolécules inorganiques
  • 1.2 biomolécules organiques
• 2 références

Classification et fonctions des biomolécules

Les biomolécules sont de tailles et de structures diverses, ce qui leur confère des caractéristiques uniques pour la performance des différentes fonctions nécessaires à la vie. Ainsi, les biomolécules agissent en tant que stockage d'informations, source d'énergie, support, métabolisme cellulaire, entre autres.

Les biomolécules peuvent être classées en deux grands groupes, en fonction de la présence ou de l'absence d'atomes de carbone.

Biomolécules inorganiques

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

Les types de biomolécules inorganiques sont les suivants:

L'eau

C'est la composante principale et fondamentale des êtres vivants, c'est une molécule formée par un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène. L'eau est essentielle à l'existence de la vie et est la biomolécule la plus commune.

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

Sels minéraux

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

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

Gaz

Ce sont des molécules 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 par deux atomes d'oxygène liés ensemble; et le dioxyde de carbone, formé par un atome de carbone attaché à deux atomes d'oxygène. Les deux biomolécules participent à l'échange gazeux que les êtres vivants font 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 présentes dans la nature dans le cadre 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 tous les êtres vivants.

Les glucides sont produits par les plantes vertes à partir du dioxyde de carbone et de l'eau pendant le processus de photosynthèse.

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

- Monosaccharides

Les monosaccharides sont les glucides les plus simples et sont souvent appelés sucres simples. Ce sont les éléments constitutifs élémentaires à partir desquels tous les plus gros glucides sont formés.

Les monosaccharides ont la formule moléculaire générale (CH2O) n, où n peut être 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 un 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.

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

Les monosaccharides qui contiennent le groupe aldéhyde sont appelés aldoses et ceux qui ont 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 de plus grandes molécules de saccharide.

- des disaccharides

La plupart des sucres trouvés dans la nature sont des disaccharides. Celles-ci sont formées par la formation d'une liaison glycosidique entre deux monosaccharides, par 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 disaccharides les plus importants sont le saccharose, le lactose et le maltose. Ils sont formés par la condensation des monosaccharides appropriés. Le saccharose est un sucre non réducteur, tandis que le lactose et le maltose réduisent les sucres.

Les disaccharides sont solubles dans l'eau, mais sont de très grandes biomolécules pour traverser la membrane cellulaire par diffusion. Pour cette raison, ils sont décomposés dans l'intestin grêle pendant 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 des 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 sont formés en décomposant partiellement des hydrates de carbone plus complexes (polysaccharides).

La plupart des oligosaccharides naturels se trouvent dans les plantes et, à l'exception du maltotriose, ils sont indigestes parce que l'organisme humain ne dispose pas des enzymes nécessaires pour les décomposer.

Dans le gros intestin, les 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. Le maltotriose, un trisaccharide du glucose, est produit dans certaines plantes et dans le sang de certains arthropodes.

- polysaccharides

Les monosaccharides peuvent subir une série de réactions de condensation, en 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: longueur, branches latérales, pliage 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 est composé 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 est constitué d'amylopectines. Ainsi, l'amidon des plantes se dégrade dans l'organisme 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 énergétique.

Lipides

Les lipides sont un autre type de biomolécules organiques dont la principale caractéristique est d'être hydrophobes (ils repoussent l'eau) et, par conséquent, 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 insaturés. Si la chaîne hydrocarbonée ne contient que des liaisons simples, il s'agit d'un acide gras saturé. A l'inverse, si cette chaîne hydrocarbonée comporte une ou plusieurs doubles liaisons, l'acide gras est insaturé.

Les huiles et les graisses font partie de cette catégorie. Les premières sont la réserve énergétique des plantes, elles sont insaturées et sont liquides à température ambiante. En revanche, les graisses sont les réserves énergétiques des animaux, ce sont des molécules saturées et solides à 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 car 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 telle manière que les groupes phosphate sont disponibles pour interagir avec le milieu aqueux, tandis que les chaînes hydrophobes qu'ils organisent à l'intérieur sont loin de l'eau. Ainsi, les phospholipides font partie de toutes les membranes biologiques.

- stéroïdes

Les stéroïdes sont constitués de quatre anneaux de carbone fusionnés, 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. Ils se trouvent 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 des répétitions de monomères, appelés nucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'une base aromatique contenant de l'azote attachée à un sucre pentose (cinq atomes de carbone), lequel est à son tour attaché 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, c'est pourquoi elle est présente 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: l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C), la thymine (T) et l'uracile (U). L'ADN a les bases adénine, guanine, cytosine et thymine, tandis que l'ARN a la même chose, 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 liées 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 des quatre bases azotées: adénine, guanine, cytosine et thymine. Les paires de bases sont formées dans l'ADN double brin: l'adénine se lie toujours à la thymine (A-T) et à la guanine à la cytosine (G-C).

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 de 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: adénine, cytosine, guanine et uracile. Comme dans l'ADN, la cytosine se lie toujours à la guanine (C-G), mais l'adénine se lie à l'uracile (A-U).

C'est le premier intermédiaire dans le transfert de l'information génétique dans les cellules.L'ARN est essentiel à la synthèse des protéines, car l'information contenue dans le code génétique est généralement transmise de l'ADN à l'ARN et de celle-ci aux protéines.

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

Il existe différents types d'ARN, principalement 3. 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 corrects 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 grandes molécules complexes qui remplissent de nombreuses fonctions importantes et effectuent la plupart du travail dans les cellules. Ils sont nécessaires à la structure, à la fonction et à la régulation des êtres vivants. Ils sont constitués d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote.

Les protéines sont composées de plus petites unités 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 physico-chimiques 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 qui génèrent des structures complexes en trois dimensions.

Fonctions variées

Les protéines peuvent être des composants structurels et de mouvement pour la cellule, tels que l'actine. D'autres travaillent 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 différentes cellules, tissus et organes.

Certaines protéines se lient et transportent des atomes (ou petites molécules) à l'intérieur des cellules; Tel est le cas de la ferritine, responsable du stockage du fer dans certains organismes. Un autre groupe de protéines importantes sont les anticorps, qui appartiennent au système immunitaire et sont 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 qui commence par l'ADN cellulaire. Cette incroyable variété de fonctions est dérivée d'un code étonnamment simple, capable de spécifier un ensemble de structures extrêmement varié. 

Références

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. et Walter, P. (2014). Biologie Moléculaire De La Cellule (6ème éd.). Science de la guirlande.
2. Berg J., Tymoczko J., Gatto G. et Strayer L. (2015). Biochimie (8ème éd.). W. H. Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (2e éd.) Pearson Education.
4. Lodish, H., A. Berk, C. Kaiser, M. Krieger, A. Bretscher, H. Ploegh, A. Amon et Martin K. (2016). Biologie Cellulaire Moléculaire (8ème éd.). W. H. Freeman and Company.
5. Solomon, E., Berg, L. et Martin, D. (2004). Biologie (7ème éd.) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. et Pratt, C. (2016). Principes fondamentaux de la biochimie: la vie à la Niveau moléculaire (5ème éd.). Wiley