BIOMOLÉCULES: CLASSIFICATION ET PRINCIPALES FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

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 que tous les êtres vivants ont en commun est qu'ils sont organiques, ce qui signifie que leurs molécules constitutives sont constituées d'atomes de carbone.

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

Cependant, il existe d'autres atomes qui sont également présents dans certaines biomolécules, bien qu'en plus petites quantités. Ce sont généralement des ions métalliques tels que le potassium, le sodium, le fer et le magnésium, entre autres. Par conséquent, 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 ne font pas partie des biomolécules.

Ces molécules contenant du carbone qui ne se trouvent pas dans les systèmes biologiques peuvent être trouvées dans la croûte terrestre, dans les lacs, les mers et les océans, et dans l'atmosphère. Le mouvement de ces éléments dans la nature est décrit dans ce que l'on appelle des 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. C'est ce que l'on appelle la théorie de la synthèse abiotique.

Classification et fonctions des biomolécules

Les biomolécules sont de tailles et de structures diverses, ce qui leur confère des caractéristiques uniques pour l'exécution des différentes fonctions nécessaires à la vie. Ainsi, les biomolécules agissent comme 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 ces molécules présentes dans 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) dans la nature.

Les types de biomolécules inorganiques sont les suivants:

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 l'existence de la vie et constitue la biomolécule la plus courante.

Entre 50 et 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.

Des sels minéraux

Ce sont de simples molécules composées d'atomes de charge opposée qui se séparent complètement dans l'eau. Par exemple: le chlorure de sodium, composé 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 des vertébrés ou l'exosquelette des invertébrés. Ces biomolécules inorganiques sont également nécessaires pour réaliser de nombreuses fonctions cellulaires importantes.

Des gaz

Ce sont des molécules qui se présentent sous forme de gaz. Ils sont essentiels à la respiration des animaux et à la photosynthèse des plantes.

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

Biomolécules organiques

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

Les types de biomolécules organiques sont les suivants:

Les glucides

Les glucides sont probablement les substances organiques les plus abondantes et les plus répandues dans la nature, et ce 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 constituées principalement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils sont également connus sous le nom d'hydrates de carbone ou de saccharides, et ils fonctionnent comme des sources d'énergie et comme des 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 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.

Les pentoses et les hexoses peuvent exister sous deux formes: cycliques et non cycliques. Sous forme non cyclique, ses 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 ont un groupe cétone sont appelés cétoses. Les aldoses réduisent les sucres, tandis que les cétoses sont des sucres non réducteurs.

Cependant, dans l'eau, les pentoses et 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 trouvés dans la nature sont des disaccharides. Ceux-ci sont formés 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 à partir de la condensation des monosaccharides appropriés. Le saccharose est un sucre non réducteur, tandis que le lactose et le maltose sont des sucres réducteurs.

Les disaccharides sont solubles dans l'eau, mais ce sont des biomolécules trop grosses pour 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 essentiels (c'est-à-dire les monosaccharides) passent dans le sang et d'autres cellules.

Les monosaccharides sont utilisés très rapidement par les cellules. Cependant, si une cellule n'a pas besoin d'énergie, elle peut immédiatement 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 constituées de trois à neuf unités de sucre simples (monosaccharides). Ils sont formés en décomposant partiellement des glucides plus complexes (polysaccharides).

La plupart des oligosaccharides naturels se trouvent dans les plantes et, à l'exception du maltotriose, ils sont indigestes par l'homme car le corps humain n'a pas les enzymes nécessaires dans l'intestin grêle 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 de glucose, est présent 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 ce que de très grosses molécules se forment. Ce sont les polysaccharides.

Les propriétés des polysaccharides dépendent de plusieurs facteurs de leur structure moléculaire: longueur, branches latérales, plis et si la chaîne est «droite» ou «enroulée». Il existe plusieurs exemples de polysaccharides dans la nature.

L'amidon est souvent produit dans les plantes comme moyen de stocker de l'énergie, et il est composé de polymères α-glucose. Si le polymère est ramifié, on l'appelle amylopectine, et s'il n'est pas ramifié, on l'appelle amylose.

Le glycogène est le polysaccharide de réserve d'énergie chez les animaux et est composé d'amylopectines. Ainsi, l'amidon des plantes est décomposé 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 réservoir d'énergie.

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, ils sont insolubles dans l'eau. En fonction de leur structure, les lipides peuvent être classés en 4 groupes principaux:

- Triglycérides

Les triglycérides sont constitués d'une molécule de glycérol attachée à trois chaînes d'acides gras. Un acide gras est une molécule linéaire qui contient un acide carboxylique à une extrémité, 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.

Dans cette catégorie se trouvent les huiles et les graisses. Les premiers sont la réserve énergétique des plantes, ils présentent des insaturations et sont liquides à température ambiante. En revanche, les graisses sont les réserves d'énergie des animaux, ce sont des molécules saturées et solides à température ambiante.

Phospholipides

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

Ces lipides sont très importants en raison de la façon 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 est toujours hydrophobe dans le reste de la molécule.

En raison de leur structure, les phospholipides ont tendance à s'organiser de telle sorte que les groupements phosphate sont disponibles pour interagir avec le milieu aqueux, tandis que les chaînes hydrophobes qu'ils organisent à l'intérieur sont éloignées de l'eau. Ainsi, les phospholipides font partie de toutes les membranes biologiques.

- stéroïdes

Les stéroïdes sont constitués de quatre anneaux de carbone fondus, auxquels différents groupes fonctionnels sont attachés. L'un des plus importants est le cholestérol, car il est essentiel pour les êtres vivants. C'est le précurseur de certaines hormones importantes telles que les œstrogènes, 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 constitués de répétitions de monomères, appelés nucléotides. Chaque nucléotide consiste en une base aromatique azotée attachée à un sucre pentose (cinq atomes de carbone), qui à son tour est 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 il est présent chez 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. Là, il remplit des fonctions importantes dans certains processus, tels que la fabrication de protéines.

Chaque acide nucléique contient quatre des cinq bases azotées possibles: 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 les mêmes bases sauf la thymine, qui remplace l'uracile dans l'ARN.

- Acide désoxyribonucléique (ADN)

La molécule d'ADN est composée de deux chaînes de nucléotides reliées 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'un squelette de sucre désoxyribose lié au phosphate et des quatre bases azotées: l'adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. Les 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 appariant les bases nucléotidiques par liaison 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 l'information génétique. Lorsqu'une cellule se divise, son ADN est copié et transmis d'une génération de cellules à la génération suivante.

- Acide ribonucléique (ARN)

L'ARN est un polymère d'acide nucléique dont la structure est constituée d'une seule chaîne nucléotidique: adénine, cytosine, guanine et 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, et de celui-ci aux 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, sur une portion d'acide nucléique simple brin. Ce processus, appelé transcription, est catalysé par une enzyme appelée ARN polymérase.

Il existe plusieurs types différents d'ARN, principalement il y en a 3. Le premier est l'ARN messager, qui est celui qui est copié directement à partir de l'ADN par transcription. Le deuxième type est l'ARN de transfert, qui est celui 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 des ribosomes, organites cellulaires chargés de synthétiser toutes les protéines de la cellule.

Protéine

Les protéines sont de grosses molécules complexes qui remplissent de nombreuses fonctions importantes et font la plupart du travail dans les cellules. Ils sont nécessaires à la structure, au fonctionnement et à la régulation des êtres vivants. Ils sont constitués 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 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 tridimensionnelles complexes.

Diverses fonctions

Les protéines peuvent être des composants structurels et de mouvement pour la cellule, comme l'actine. D'autres agissent en accélérant les réactions biochimiques au sein de la cellule, comme 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 les hormones de croissance transmettent des signaux pour coordonner les processus biologiques entre les différentes cellules, tissus et organes.

Certaines protéines se lient et transportent des atomes (ou de petites molécules) dans les cellules; c'est le cas de la ferritine, qui est 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 qui est capable de spécifier un ensemble extrêmement diversifié de structures.

Références

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