Ton corps est principalement composé d'eau, de protéines, de graisses et de minéraux. Mais t'es-tu déjà demandé de quoi étaient composées ces substances ? Comme tout ce que tu connais, l'eau, les protéines, les graisses et les minéraux sont constitués d'une multitude d'atomes à l'échelle la plus petite.
Une branche de la chimie, appelée biochimie, s'occupe entre autres de la structure des biomolécules, comme les protéines (protides) et les lipides (graisses).
Grâce à nous, tu sauras tout sur la biochimie à temps pour que tu puisses les reconnaître.
- Ce résumé de cours porte sur la biochimie.
- Tout d'abord, nous allons définir la biochimie.
- Nous examinerons ensuite les macromolécules (glucides, protéines, lipides et vitamines).
- Ensuite, nous explorerons les biomolécules (hémoglobine et ADN) .
- Nous verrons le métabolisme, le catabolisme et l'anabolisme.
- Enfin, nous présenterons les processus métaboliques tel que le cycle de citrate, la fermentation lactique et la photosynthèse.
Biochimie : Biologie moléculaire
Autrefois, la biochimie était également appelée chimie physiologique. Ce terme vient du grec et signifie quelque chose comme "la chimie de la vie".
La biochimie s'occupe des processus biochimiques dans les êtres vivants, au niveau moléculaire. Les domaines de la chimie, de la biologie et de la médecine s'y croisent.
La biochimie joue un rôle important dans la chimie moderne. Les thèmes de la biochimie sont entre autres :
- la structure moléculaire des biomolécules et des êtres vivants,
- le métabolisme et les réactions biochimiques qui y sont liées.
Biochimie : Macromolécules
Les macromolécules sont des molécules géantes composées de nombreuses unités. Les macromolécules comprennent entre autres les biomolécules telles que les protéines, les acides nucléiques ou les glucides, mais aussi les matières plastiques.
Elles remplissent différentes fonctions dans l'organisme. Ainsi, la plupart des enzymes et des substances toxiques des animaux sont constituées de protéines. En outre, les protéines jouent un rôle dans les défenses immunitaires.
Les biomolécules constituent la base de la biochimie. Ce sont des composés chimiques présents dans les organismes. Elles sont principalement composées de :
- du carbone \( C \)
- de l'hydrogène \( H \)
Les biomolécules sont associées aux éléments suivants :
- l'oxygène \( O \) ;
- de l'azote \( N \) ;
- le soufre \( S \) ;
- le phosphore \( P \) .
Les quatre plus grands groupes de biomolécules sont les glucides, les protéines, les lipides et les acides nucléiques.
Glucide
Les glucides, également appelés saccharides, sont composés de molécules de sucre. Selon le nombre de molécules de sucre qui composent un glucide, on distingue les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.
Fig.1- Exemples de glucides
Les monosaccharides sont composés d'une seule molécule de sucre, les disaccharides de deux molécules de sucre, tandis que les polysaccharides sont constitués de chaînes de molécules de sucre. Les différentes molécules de sucre des disaccharides et des polysaccharides sont reliées par une liaison glycosidique.
Lors des liaisons glycosidiques, le groupe \( OH \) de l'atome de carbone anomérique d'un glucide réagit avec un groupe chimique d'une autre molécule en libérant une molécule d'eau. Il peut s'agir aussi bien d'un autre groupe \( OH \) que d'un groupe amino.
On appelle atome de carbone anomérique l'atome de carbone d'un sucre qui devient le stéréocentre en raison de la formation circulaire du sucre. Grâce à la liaison glycosidique, deux molécules de sucre peuvent être liées entre elles, mais aussi une molécule de sucre avec une base ou un acide aminé.
Les glucides servent aux organismes à la fois à fournir de l'énergie et à la stocker. En outre, les monosaccharides sont entre autres des éléments constitutifs importants pour d'autres molécules, comme l'ADN.
Tu apprendras plus tard dans ce résumé, dans la partie consacrée au cycle du citrate, dans quelle mesure les glucides servent de source d'énergie pour les organismes. Si tu souhaites en savoir plus sur les saccharides, leur détection et l'isomérie des saccharides, n'hésite pas à consulter le résumé correspondant sur le sujet.
Protéine
Le deuxième grand groupe de biomolécules est celui des protéines.
Les protéines sont des macromolécules composées de chaînes d'acides aminés. Dans le langage courant, les protéines sont également appelées protides.
Enzymes
Les enzymes sont généralement des protéines qui catalysent des réactions chimiques dans les organismes. C'est pourquoi les enzymes sont également appelées biocatalyseurs. Elles contrôlent la plupart des réactions biochimiques dans les organismes et occupent donc une place importante dans la biochimie.
Les enzymes réduisent l'énergie d'activation d'une réaction chimique, ce qui accélère celle-ci. Plus l'énergie d'activation d'une réaction est faible, plus elle est probable. Cette probabilité accrue entraîne à son tour un déroulement globalement plus rapide.
Dans l'explication sur les enzymes, tu peux en apprendre davantage sur le fonctionnement et la structure des enzymes.
Acides aminés
Les acides aminés sont des composés organiques (contenant donc des chaînes d'hydrocarbures) qui possèdent à la fois un groupe carboxyle \( -COOH \) et un groupe amino \( -NH_2 \) . Il existe \( 20 \) acides aminés différents à partir desquels les protéines peuvent être constituées. On les appelle donc aussi des acides aminés protéinogènes.
Fig.2- Structure d'un acide aminé.
Les protéines que ton corps produit sont même composées de 21 acides aminés protéinogènes. En plus des 20 habituels, les humains possèdent en effet un autre acide aminé protéinogène : la sélénocystéine.
Dans les protéines, deux acides aminés sont liés par ce que l'on appelle une liaison peptidique. Dans ce cas, le groupe carboxyle d'un acide aminé réagit avec le groupe amino de l'autre acide aminé. Une molécule d'eau est alors éliminée, c'est pourquoi on parle également de réaction de condensation. Les protéines sont composées d'au moins \( 100 \) , voire de plusieurs milliers d'acides aminés.
Lipide
Par lipides, on entend des substances naturelles qui se dissolvent mal ou pas du tout dans l'eau ou dans d'autres solvants polaires. En revanche, les lipides se dissolvent bien dans les solvants lipophiles (qui aiment les graisses).
Par polarité des composés, on entend un déplacement de charge au sein d'une molécule. Ainsi, les substances polaires sont des molécules qui possèdent un déplacement de charge permanent au sein de la molécule. Les substances non polaires, en revanche, ne possèdent pas de transfert de charge permanent au sein de la molécule. Les substances polaires se dissolvent bien dans les solvants polaires, tandis que les substances non polaires sont bien solubles dans les solvants non polaires.
Les lipides sont souvent appelés "graisses" dans le langage courant, bien que les graisses ne constituent qu'un groupe particulier de lipides. Dans les organismes, les lipides :
- un composant important des membranes cellulaires,
- des réservoirs d'énergie,
- et des molécules de signalisation.
Graisses
Les graisses sont des molécules composées d'une molécule de glycérol à laquelle se lient trois acides gras. Les acides gras sont liés à la molécule d'alcool par des liaisons ester. Les acides gras sont de longues chaînes d'hydrocarbures à l'extrémité desquelles se trouve un groupe carboxyle \( -COOH \) . Ils peuvent être saturés, c'est-à-dire ne pas avoir de doubles liaisons \( C-C \) , ou insaturés, c'est-à-dire avoir au moins une double liaison \( C-C \) .
Lors de l'estérification, le groupe \( OH \) d'un alcool réagit avec le groupe carboxyle (groupe \( -COOH \) ) d'un acide carboxylique en libérant une molécule d'eau.
Si tu veux en savoir plus sur les lipides ou les graisses, tu trouveras des explications plus détaillées dans les résumés correspondants.
Acide nucléique
Les acides nucléiques sont également des macromolécules et forment le dernier grand groupe de biomolécules.
Au niveau moléculaire, les acides nucléiques sont composés de nombreux nucléotides qui sont liés entre eux. Un nucléotide se compose toujours de trois éléments constitutifs:
- d'un groupe phosphate,
- d'un sucre
- et d'une base nucléique.
Différents nucléotides sont reliés par des liaisons entre le groupe phosphate d'une molécule et la molécule de sucre de l'autre.
Les acides nucléiques servent à l'organisme de :
- stocker des informations,
- transmetteurs de signaux et
- des biocatalyseurs.
Vitamine
Le nom de vitamine a été proposé en 1911 par le chimiste polonais Casimir Funk en raison de son besoin vital (vita) et parce qu'on a découvert que chimiquement, c'était une amine.
Les vitamines sont des nutriments organiques qui sont nécessaires en petites quantités pour une variété de fonctions biochimiques et qui ne sont pas, en général, synthétisés par le corps, et doivent donc être fournis par l'alimentation.
Certaines vitamines peuvent être synthétisées par les micro-organismes intestinaux (vitamine K, biotine et vitamine B12), mais en quantités insuffisantes pour satisfaire nos besoins.
Les vitamines peuvent être liposolubles (solubles dans les graisses) ou hydrosolubles (solubles dans l'eau).
Si tu veux en savoir plus sur les vitamines, tu trouveras des explications plus détaillées dans les résumés correspondants.
Biochimie : Biomolécules
Maintenant que tu as appris à connaître les quatre grands groupes de biomolécules, voici deux exemples très connus de biomolécules qui sont vitaux pour l'homme :
- l'hémoglobine et
- l'ADN.
Hémoglobine
L'hémoglobine est un composant des globules rouges des vertébrés et assure, entre autres, la couleur rouge du sang. Elle est composée de quatre unités.
Une unité se compose d'une chaîne polypeptidique, également appelée globuline, et d'un groupe contenant du fer, appelé hème.
Grâce à une liaison avec l'ion fer de l'hème et à un pont hydrogène entre la molécule d'oxygène et le résidu histidine de la globuline, l'hémoglobine peut fixer l'oxygène et le transporter dans les tissus de ton corps via la circulation sanguine. Étant donné qu'une molécule d'hémoglobine possède quatre groupes hème, elle peut également lier simultanément quatre molécules d'oxygène.
L'hémoglobine peut non seulement transporter l'oxygène dans tes cellules, mais aussi absorber le dioxyde de carbone des cellules et le ramener aux poumons. Là, celui-ci peut être libéré et expiré.
L'ADN : le support des informations héréditaires
Une autre biomolécule très connue est l'ADN. Savais-tu qu'en français, l'ADN s'appelle en réalité acide désoxyribonucléique ?
L'ADN contient les informations héréditaires des êtres vivants et est le représentant le plus connu des acides nucléiques. Les nucléotides de l'ADN sont constitués d'un sucre simple, le désoxyribose, d'un groupe phosphate et de l'une des quatre bases d'ADN différentes, l'adénine, la thymine, la guanine ou la cytosine.
L'ADN est également appelé double hélice, car il est constitué de deux brins disposés en sens inverses et torsadés. Les deux bases opposées sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène.
Tu trouveras de plus amples informations sur l'ADN (Acide désoxyribonucléique) dans le résumé correspondant.
Métabolisme : Réaction chimique
Comme nous l'avons déjà mentionné, la biochimie s'intéresse non seulement à la structure des biomolécules et des êtres vivants, mais aussi aux processus métaboliques.
Imagine que quelqu'un construise un château en lego. Tu veux construire une fusée en lego, eh bien, tu vas devoir d'abord déconstruire le château pour présenter toutes les pièces individuelles pour pouvoir reconstruire ta fusée. Tu pourrais aussi par exemple ne pas tout déconstruire pour avoir l'épaisseur du visuel, mais garder certaines parties, certaines structures que tu trouves utiles pour construire la fusée. C’est exactement la même chose qui se passe avec la matière et le métabolisme.
Le métabolisme est un processus à partir duquel la vie est créée telle que nous la connaissons. Il s'agit de la capture de l'énergie sous ses différentes formes et de sa transformation, de la décomposition de la matière à partir de certains de ses composants fondamentaux et ensuite de la recomposition de la matière d'une manière que nous trouvons utile pour stocker de l'énergie, pour créer de nouvelles structures afin que nous puissions vivre notre vie, grandir, nous reproduire et répondre à notre environnement.
Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques dans les organismes qui transforment les substances. Outre la production d'énergie, le métabolisme est également responsable de la formation des composants d'un être vivant.
Le métabolisme est généralement constitué de deux ensembles de phénomènes :
- Anabolisme
- Catabolisme
Catabolisme
Le catabolisme est la dégradation d'autres éléments pour produire l'énergie nécessaire au fonctionnement de notre organisme.
Le catabolisme est la décomposition des substances et de leur structure pour obtenir de l'énergie.
Cycle du citrate
Le cycle du citrate, également appelé cycle de l'acide citrique, est un cycle composé de huit réactions biochimiques. Chaque réaction est catalysée par une enzyme. Le cycle du citrate permet de produire de l'énergie sous forme de GTP (guanosine triphosphate). En outre, des substances telles que les hydrates de carbone, les graisses et les protéines sont dégradées. Le cycle du citrate se déroule en conditions aérobies, c'est-à-dire dans un environnement riche en oxygène.
Le cycle du citrate a une grande importance pour les êtres vivants, car il fournit des électrons importants qui sont nécessaires à leur respiration cellulaire (production d'énergie sous forme d'ATP). La production d'énergie par la respiration cellulaire est indispensable à la survie des organismes.
Fermentation lactique
La fermentation lactique permet également à l'organisme de produire de l'énergie. Alors que le cycle du citrate se déroule en conditions aérobies, la fermentation lactique se fait sans oxygène (anaérobie).
Dans l'acide lactique, une molécule de glucose est transformée en deux molécules de pyruvate (acide benzène-raubique), qui réagissent à leur tour pour former deux molécules de lactate. Il se forme en outre deux molécules d'ATP (adénosine triphosphate) qui servent de source d'énergie aux êtres vivants. L'équation totale de la fermentation lactique est donc la suivante :
$$ C_6H_{12}O_6 + 2ADP + 2 phosphat \rightarrow 2C_3H_6O_3 + 2ATP $$
Anabolisme
Une fois décomposées, on veut les recomposer de manière utile, on parle d'anabolisme.
L’anabolisme est la transformation des nutriments en tissus vivants. Les molécules de nutriments provenant des aliments sont principalement fabriquées par le processus de digestion.
Photosynthèse
Comme tu le sais certainement, la photosynthèse est responsable de la production d'énergie par les plantes. Elle consiste à former du glucose \( C_6H_{12}O_6 \) et de l'oxygène \( O_2 \) à partir d'eau \( H_2O \) et de dioxyde de carbone \( CO_2 \) sous l'influence de l'énergie lumineuse (lumière du soleil). Le glucose ainsi formé sert de source d'énergie aux plantes, tandis que l'oxygène est un "déchet".
$$ H_2O + CO_2 \rightarrow C_6H_{12}O_6 + O_2 $$
Si tu souhaites en savoir plus sur le déroulement des trois processus métaboliques, n'hésite pas à consulter les résumés détaillés sur le cycle du citrate, la fermentation lactique et la photosynthèse.
Biologie organique - Points clés
- La biochimie est une branche de la chimie qui s'intéresse aux processus biochimiques des êtres vivants, au niveau moléculaire.
- Ainsi, elle étudie entre autres la structure moléculaire des biomolécules et des êtres vivants, ainsi que le métabolisme et les réactions biochimiques qui y sont liées.
- Les biomolécules sont des composés chimiques présents dans les organismes.
- Les quatre plus grands groupes de biomolécules sont les glucides, les protéines, les lipides et les acides nucléiques.
- Les vitamines sont des nutriments organiques qui sont nécessaires en petites quantités pour une variété de fonctions biochimiques et qui ne sont pas, en général, synthétisés par le corps, et doivent donc être fournis par l'alimentation.
- Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques dans les organismes qui transforment les substances. Outre la production d'énergie, le métabolisme est également responsable de la formation des composants d'un être vivant.
- Le catabolisme est la dégradation d'autres éléments pour produire l'énergie nécessaire au fonctionnement de notre organisme.
- L'anabolisme est la transformation des nutriments en tissus vivants. Les molécules de nutriments provenant des aliments sont principalement fabriquées par le processus de digestion.
- Les processus métaboliques biochimiques comprennent notamment le cycle du citrate, la fermentation de l'acide lactique et la photosynthèse.
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Questions fréquemment posées en Biochimie
Quelles sont les domaines de la biochimie ?
Les domaines de la biochimie sont la recherche biomédicale, la microbiologie, la pharmacologie, la biotechnologie, la biologie moléculaire, et de nombreux autres.
Quelle est la différence entre chimie et biochimie ?
La chimie est l'étude des propriétés de la matière, de son évolution et de sa composition, tandis que la biochimie se concentre sur les processus chimiques liés à la vie.
Pourquoi faire de la biochimie ?
La biochimie est la branche de la chimie qui s'occupe des processus chimiques dans les voies métaboliques et les êtres vivants. Elle constitue l'interface entre la biologie et la chimie et aborde également des points de la médecine.
Quelle est la différence entre biochimie et biologie ?
La biologie est la science naturelle qui s'occupe de la vie en général tandis que la biochimie se concentre sur les processus chimiques liés à la vie.
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