Molécules biologiques

Quel type de molécules sont les molécules biologiques ?

Les molécules biologiques sont des molécules organiques. Cela signifie qu'elles contiennent du carbone et de l'hydrogène. Elles peuvent contenir d'autres éléments tels que de l'oxygène, de l'azote, du phosphore ou du soufre.

Tu les trouveras peut-être sous le nom de composés organiques. C'est parce qu'ils contiennent du carbone comme colonne vertébrale.

Servant de colonne vertébrale, le carbone est l'élément le plus important des molécules biologiques. Tu as peut-être entendu dire que le carbone est le fondement de la vie, ou que toute la vie sur Terre est basée sur le carbone. Cela s'explique par le fait que le carbone est un élément essentiel des composés organiques.

Jette un coup d'œil à la figure 1, qui montre une molécule de glucose. Le glucose est composé d'atomes de carbone, d'oxygène et d'hydrogène.

Remarque que le carbone se trouve au milieu (plus précisément cinq atomes de carbone et un atome d'oxygène), formant ainsi la base de la molécule.

Fig. 1 - Le glucose est composé d'atomes de carbone, d'oxygène, de et d'hydrogène .Le carbone sert de colonne vertébrale à la molécule. Les atomes de carbone sont omis pour des raisons de simplicité

Toutes les molécules biologiques contiennent du carbone, sauf une : l'eau.

L'eau contient de l'hydrogène, mais elle ne contient pas de carbone (rappelle-toi sa formule chimique_H2O). Cela fait de l'eau une molécule inorganique.

Liaisons chimiques dans les molécules biologiques

Il existe trois liaisons chimiques importantes dans les molécules biologiques : les liaisons covalentes, les liaisons hydrogène et les liaisons ioniques.

Avant d'expliquer chacune d'entre elles, il est important de rappeler la structure des atomes qui sont les éléments constitutifs des molécules.

Fig. 2 - Structure atomique du carbone

La figure 2 montre la structure atomique du carbone. Tu peux voir le noyau (une masse de neutrons et de protons). Les neutrons n'ont pas de charge électrique, tandis que les protons ont une charge positive. Par conséquent, dans l'ensemble, un noyau aura une charge positive.

Les électrons (en bleu sur cette image) gravitent autour du noyau et ont une charge négative.

Pourquoi est-ce important ? Il est utile de savoir que les électrons sont chargés négativement et qu'ils gravitent autour du noyau pour comprendre comment les différentes molécules sont liées au niveau atomique.

Liaisons covalentes

La liaison covalente est la liaison que l'on trouve le plus souvent dans les molécules biologiques.

Lors d'une liaison covalente, les atomes partagent des électrons avec d'autres atomes, formant ainsi des liaisons simples, doubles ou triples. Le type de liaison dépend du nombre de paires d'électrons partagées. Par exemple, une liaison simple signifie qu'une seule paire d'électrons est partagée, etc.

Fig. 3 - Exemples de liaisons simples, doubles et triples

La liaison simple est la plus faible des trois, tandis que la liaison triple est la plus forte.

En découvrant les macromolécules biologiques, tu rencontreras des molécules polaires et non pol aires, qui ont respectivement des liaisons covalentes polaires et non polaires. Dans les molécules polaires, les électrons ne sont pas répartis uniformément, par exemple dans une molécule d'eau. Dans les molécules non polaires, les électrons sont répartis uniformément.

La plupart des molécules organiques sont apolaires. Cependant, toutes les molécules biologiques ne sont pas apolaires. L'eau et les sucres (glucides simples) sont polaires, ainsi que certaines parties d'autres macromolécules, comme le squelette de l'ADN et de l'ARN, qui est composé de sucres désoxyribose ou ribose.

Tu es intéressé par la chimie ? Pour plus de détails sur les liaisons covalentes, explore l'article sur la liaison covalente dans le hub de chimie.

L'importance de la liaison carbone

Le carbone peut former non seulement une, mais quatre liaisons covalentes avec les atomes. Cette fantastique capacité permet de former de grandes chaînes de composés de carbone, qui sont très stables car les liaisons covalentes sont les plus solides. Des structures ramifiées peuvent également être formées, et certaines molécules forment des anneaux qui peuvent s'attacher les uns aux autres.

Ceci est très important car les différentes fonctions des molécules biologiques dépendent de leur structure.

Grâce au carbone, de grosses molécules (macromolécules) stables (grâce aux liaisons covalentes) sont capables de construire des cellules, de faciliter différents processus et de constituer globalement toute la matière vivante.

Fig. 4 - Exemples de liaisons carbone dans les molécules à structure en anneau et en chaîne.

Liaisons ioniques

Les liaisons ioniques se forment lorsque des électrons sont transférés entre les atomes. Si tu compares cela à la liaison covalente, les électrons de la liaison covalente sont partagés entre les deux atomes liés, alors que dans la liaison ionique, ils sont transférés d'un atome à l'autre.

Tu rencontreras des liaisons ioniques en étudiant les protéines, car elles sont importantes dans la structure des protéines.

Pour en savoir plus sur les liaisons ioniques, consulte le hub de chimie et cet article : Liaison ionique.

Liaisons hydrogène

Les liaisons hydrogène se forment entre une partie chargée positivement d'une molécule et une partie chargée négativement d'une autre molécule.

Prenons l'exemple des molécules d'eau. Après que l'oxygène et l'hydrogène ont partagé leurs électrons et se sont liés par covalence pour former une molécule d'eau, l'oxygène a tendance à "voler" plus d'électrons (l'oxygène est plus électronégatif), ce qui laisse à l'hydrogène une charge positive. Cette répartition inégale des électrons fait de l'eau une molécule polaire. L'hydrogène (+) est alors attiré par les atomes d'oxygène chargés négativement d'une autre molécule d'eau (-).

Les liaisons hydrogène individuelles sont faibles, en fait, elles sont plus faibles que les liaisons covalentes et ioniques, mais elles sont fortes en grande quantité. Tu trouveras des liaisons hydrogène entre les bases des nucléotides dans la structure en double hélice de l'ADN. Les liaisons hydrogène sont donc importantes dans les molécules d'eau.

Fig. 5 - Liaisons hydrogène entre les molécules d'eau

Quatre types de macromolécules biologiques

Les quatre types de macromolécules biologiques sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques (ADN et ARN).

Ces quatre types présentent des similitudes de structure et de fonction, mais ont des différences individuelles qui sont cruciales pour le fonctionnement normal des organismes vivants.

L'une des plus grandes similitudes est que leur structure influe sur leur fonction. Tu apprendras que les lipides sont capables de former des bicouches dans les membranes cellulaires grâce à leur polarité et que, grâce à sa structure hélicoïdale flexible, une très longue chaîne d'ADN peut s'insérer parfaitement dans le minuscule noyau d'une cellule.

1. Les hydrates de carbone

Les glucides sont des macromolécules biologiques utilisées comme source d'énergie. Ils sont particulièrement importants pour le fonctionnement normal du cerveau et pour la respiration cellulaire.

Il existe trois types de glucides : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

• Les monosaccharides sont composés d'une molécule de sucre (mono- signifie "un"), comme le glucose.

• Les disaccharides sont composés de deux molécules de sucre (di- signifie "deux"), comme le saccharose (sucre de fruit), qui est composé de glucose et de fructose (jus de fruit).

• Les polysaccharides (poly- signifie "plusieurs") sont composés de nombreuses molécules plus petites (monomères) de glucose, c'est-à-dire de monosaccharides individuels. Trois polysaccharides très importants sont l'amidon, le glycogène et la cellulose.

Les liaisons chimiques dans les glucides sont des liaisons covalentes appelées liaisons glycosidiques, qui se forment entre les monosaccharides. Tu rencontreras ici aussi des liaisons hydrogène, qui sont importantes dans la structure des polysaccharides.

2. Les lipides

Les lipides sont des macromolécules biologiques qui servent à stocker l'énergie, à construire les cellules et à assurer l'isolation et la protection.

Il en existe deux types principaux : les triglycérides et les phospholipides.

• Les triglycérides sont constitués de trois acides gras et d'un alcool, le glycérol. Les acides gras des triglycérides peuvent être saturés ou insaturés.

• Les phospholipides sont composés de deux acides gras, d'un groupe phosphate et de glycérol.

Les liaisons chimiques dans les lipides sont des liaisons covalentes appelées liaisons ester, qui se forment entre les acides gras et le glycérol.

3. Les protéines

Les protéines sont des macromolécules biologiques aux rôles variés. Elles sont les éléments constitutifs de nombreuses structures cellulaires et agissent comme des enzymes, des messagers et des hormones, assurant des fonctions métaboliques.

Les monomères des protéines sont des acides aminés. Les protéines se présentent sous quatre structures différentes :

• Structure primaire de la protéine

• Structure secondaire de la protéine

• Structure de la protéine tertiaire

• Structure quaternaire des protéines

Les liaisons chimiques primaires dans les protéines sont des liaisons covalentes appelées liaisons peptidiques, qui se forment entre les acides aminés. Tu rencontreras également trois autres liaisons : les liaisons hydrogène, les liaisons ioniques et les ponts disulfures. Elles sont importantes dans la structure tertiaire des protéines.

4. Les acides nucléiques

Les acides nucléiques sont des macromolécules biologiques qui portent l'information génétique chez tous les êtres vivants et les virus. Ils dirigent la synthèse des protéines.

Il existe deux types d'acides nucléiques : L'ADN et l'ARN.

• L'ADN et l'ARN sont constitués d'unités plus petites (monomères) appelées nucléotides. Un nucléotide est constitué de trois parties : un sucre, une base azotée et un groupe phosphate.

• L'ADN et l'ARN sont bien rangés dans le noyau d'une cellule.

Les liaisons chimiques primaires dans les acides nucléiques sont des liaisons covalentes appelées liaisons phosphodiester, qui se forment entre les nucléotides. Tu rencontreras également des liaisons hydrogène, qui se forment entre les brins d'ADN.