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La biologie - ou de manière informelle, la vie elle-même - est caractérisée par d'élégantes macromolécules qui ont évolué au cours de centaines de millions d'années pour remplir diverses fonctions essentielles. 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 comme étant les trois macronutriments standard (ou "macros" dans le langage des régimes) répertoriés sur les étiquettes d'informations nutritionnelles. La 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 diverses fonctions; comme on pouvait s'y attendre, leurs différents rôles sont extrêmement liés à leurs divers composants et arrangements physiques.
Macromolécules
UNE macromolécule est une très grosse molécule, généralement constituée de sous-unités répétées appelées les monomères, ce qui ne peut être réduit à des composants plus simples sans sacrifier l’élément constitutif. Bien qu'il n'y ait pas de définition standard de la taille d'une molécule pour obtenir le préfixe "macro", elles ont généralement au minimum des milliers d'atomes. Vous avez presque certainement vu ce type de construction dans le monde non naturel; Par exemple, de nombreux types de papiers peints, bien que de conception complexe et physiquement expansive dans l’ensemble, sont constitués de sous-unités adjacentes qui ont souvent une taille inférieure à un pied carré. De manière encore plus évidente, une chaîne peut être considérée comme une macromolécule dans laquelle les liens individuels sont les "monomères".
Un point important concernant les macromolécules biologiques est qu’à l’exception des lipides, leurs 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" ayant des propriétés physiques et chimiques différentes. Comme les monomères se rejoignent, les macromolécules elles-mêmes sont également polaires.
En outre, toutes les biomolécules contiennent de grandes quantités d'éléments carbonés. Vous avez peut-être entendu parler du genre de vie sur Terre (en d'autres termes, le seul type dont nous connaissons l'existence qui existe ailleurs), appelé "vie basée sur le carbone", et avec raison. Mais l'azote, l'oxygène, l'hydrogène et le phosphore sont également indispensables aux êtres vivants, et une foule d'autres éléments sont en jeu à un degré moindre.
Les glucides
Il est presque certain que lorsque vous voyez ou entendez le mot «glucides», vous pensez tout d’abord à «aliments», et peut-être plus précisément «quelque chose que beaucoup de gens cherchent à éliminer dans les aliments». "Lo-carb" et "no-carb" sont tous deux devenus des mots à la mode pour perdre du poids au début du 21ème siècle, et le terme "carbo-loading" fait partie de la communauté des sports d'endurance depuis les années 1970. Mais en réalité, les glucides sont bien plus qu'une source d'énergie pour les êtres vivants.
Les molécules de glucides ont toutes la formule (CH2O)n, où n est le nombre d'atomes de carbone présents. Cela signifie que le rapport C: H: O est 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 consistent en un seul monomère, tel que le glucose, le fructose et le galactose. Habituellement, ces monosaccharides sont les plus stables sous forme de cycle, qui est représenté schématiquement par un hexagone.
Les disaccharides sont des sucres à deux unités monomères, ou une paire de monosaccharides. Ces sous-unités peuvent être identiques (comme dans le maltose, qui consiste en deux molécules de glucose jointes) ou différentes (comme dans le saccharose, ou le sucre de table, qui consiste en une molécule de glucose et une molécule de fructose. Les liaisons entre les monosaccharides sont appelées liaisons glycosidiques.
Les polysaccharides contiennent trois monosaccharides ou plus. Plus ces chaînes sont longues, plus elles sont susceptibles d'avoir des branches, c'est-à-dire de ne pas être simplement une ligne de monosaccharides de bout en bout. Des exemples de polysaccharides incluent l'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine.
L'amidon a tendance à se former en hélice ou en forme de spirale; ceci est courant dans les biomolécules de poids moléculaire élevé en général. La cellulose, au contraire, est linéaire et consiste en une longue chaîne de monomères de glucose avec des liaisons hydrogène dispersées entre des atomes de carbone à intervalles réguliers. La cellulose est un composant des cellules végétales et leur donne leur rigidité. Les humains ne peuvent pas digérer la cellulose et, dans le régime alimentaire, on parle généralement de «fibre». La chitine est un autre glucide structurel, présent dans les corps externes des arthropodes tels que les insectes, les araignées et les crabes. La chitine est un glucide modifié, car elle est "adultérée" avec de nombreux atomes d'azote. Le glycogène est la forme corporelle d'hydrate de carbone; des dépôts de glycogène se trouvent dans les tissus hépatique et musculaire. Grâce à l'adaptation d'enzymes dans ces tissus, les athlètes entraînés peuvent stocker plus de glycogène que les personnes sédentaires en raison de leurs besoins énergétiques et de leurs pratiques nutritionnelles.
Les protéines
Comme les glucides, les protéines font partie du vocabulaire quotidien de la plupart des gens en raison de leur rôle de macronutriments. Mais les protéines sont incroyablement polyvalentes, bien plus que les glucides. En fait, sans protéines, il n'y aurait pas de glucides ni de lipides car les enzymes nécessaires à la synthèse (ainsi qu'à la digestion) de ces molécules sont elles-mêmes des protéines.
Les monomères de protéines sont des acides aminés. Ceux-ci comprennent un groupe acide carboxylique (-COOH) et un groupe amino (-NH).2) groupe. Lorsque les acides aminés se lient les uns aux autres, il s’agit d’une liaison hydrogène entre le groupe acide carboxylique de l’un des acides aminés et le groupe amino de l’autre, avec une molécule d’eau (H2O) publié dans le processus. Une chaîne d'acides aminés en croissance est un polypeptide et, lorsqu'il est suffisamment long et revêt sa forme tridimensionnelle, il s'agit d'une protéine à part entière. Contrairement aux glucides, les protéines ne présentent jamais de branches. ils ne sont qu'une chaîne de groupes carboxyle reliés à des groupes amino. Parce que cette chaîne doit avoir un début et une fin, une extrémité a un groupe amino libre et s'appelle le N-terminal, tandis que l'autre a un groupe amino libre et s'appelle le C-terminal. Comme il existe 20 acides aminés et que ceux-ci peuvent être classés dans n'importe quel ordre, la composition des protéines est extrêmement variée, même si aucune ramification ne se produit.
Les protéines ont une structure appelée primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire fait référence à la séquence d'acides aminés dans la protéine, qui est génétiquement déterminée. La structure secondaire fait référence à la flexion ou à la déformation de la chaîne, généralement de manière répétitive. Certaines conformations comprennent une hélice alpha et une feuille plissée en bêta et résultent de liaisons hydrogène faibles entre des chaînes latérales d'acides aminés différents. La structure tertiaire est la torsion et le curling 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 consiste en trois chaînes torsadées et enroulées ensemble comme une corde.
Les protéines peuvent servir d'enzymes qui catalysent les réactions biochimiques dans l'organisme. sous forme d'hormones, telles que l'insuline et l'hormone de croissance; en tant qu'éléments structurels; et en tant que composants de membrane cellulaire.
Lipides
Les lipides constituent un ensemble diversifié de macromolécules, mais ils partagent tous le caractère hydrophobe. 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 interviennent principalement dans la formation et la stabilité de la membrane cellulaire, forment des portions d'hormones et sont utilisés comme carburant stocké. Les graisses, un type de lipides, constituent le troisième type de macronutriments, avec les glucides et les protéines, décrits précédemment. Par oxydation de leurs acides gras, ils apportent 9 calories par gramme au lieu des 4 calories par gramme fournies à la fois par les glucides et les lipides.
Les lipides ne sont pas des polymères, ils se présentent donc sous différentes formes. Comme les glucides, ils sont composés 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'acide gras sont de longs hydrocarbures simples. Ces chaînes peuvent avoir des doubles liaisons, et si elles le font, cela rend l'acide gras insaturé. S'il n'y a qu'une seule double liaison de ce type, l'acide gras est monoinsaturé. S'il y en a deux ou plus, c'est polyinsaturé. Ces différents types d'acides gras ont des incidences différentes sur la santé de personnes différentes en raison de leurs effets sur les parois des vaisseaux sanguins. Les graisses saturées, qui ne possèdent pas de doubles liaisons, sont solides à la température ambiante et sont généralement des graisses animales; ceux-ci ont tendance à causer des plaques artérielles et peuvent contribuer à une maladie cardiaque. Les acides gras peuvent être manipulés chimiquement et les graisses insaturées telles que les huiles végétales peuvent être saturées de manière à ce qu'elles soient solides et faciles à utiliser à la température ambiante, comme la margarine.
Les phospholipides, qui ont un lipide hydrophobe à une extrémité et un phosphate hydrophile à l'autre extrémité, constituent un composant important des membranes cellulaires. Ces membranes sont constituées d'une bicouche phospholipidique. Les deux parties lipidiques, étant hydrophobes, font face à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule, tandis que les queues hydrophiles de phosphate se rencontrent au centre de la bicouche.
Les autres lipides comprennent les stéroïdes, qui servent d’hormones et de précurseurs d’hormones (par exemple, le cholestérol) et contiennent une série de structures en anneau distinctes; et les cires, qui comprennent la cire d'abeille et la lanoline.
Acides nucléiques
Les acides nucléiques comprennent l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Celles-ci sont très similaires structurellement car il s’agit de polymères dans lesquels les unités monomères sont nucléotides. Les nucléotides consistent en un groupe sucre pentose, un groupe phosphate et un groupe base azotée. Dans l'ADN et l'ARN, ces bases peuvent être de 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. L'une est que dans l'ADN, le sucre pentose est le désoxyribose et dans l'ARN, le ribose. Ces sucres diffèrent par exactement un atome d'oxygène. La deuxième différence est que l’ADN est généralement à double brin, formant la double hélice découverte dans les années 1950 par l’équipe Watson et Cricks, mais que l’ARN est simple brin. La troisième est que l’ADN contient les bases azotées adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T), mais l’ARN contient de l’uracile (U) substitué à la thymine.
L'ADN stocke des informations héréditaires. Les longueurs des nucléotides constituent les gènes, qui contiennent les informations, via les séquences de bases azotées, permettant de fabriquer des protéines spécifiques. Beaucoup de gènes composent les chromosomes, et la somme totale des chromosomes d'un organisme (les humains ont 23 paires) est sa génome. L'ADN est utilisé dans le processus de transcription pour produire une forme d'ARN appelée ARN messager (ARNm). Cela stocke les informations codées d'une manière légèrement différente et les déplace hors du noyau de la cellule où se trouve l'ADN et dans le cytoplasme de la cellule, ou matrice. Ici, d'autres types d'ARN initient le processus de traduction, dans lequel des protéines sont fabriquées et réparties dans toute la cellule.