De l'atome à la molécule

  1. Éléments les plus abondants
  2. Évolution
  3. Molécules inorganiques
  4. Molécules organiques
  5. Sites intéressants

1- Éléments les plus abondants

Les éléments chimiques les plus abondants dans la matière vivante sont le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O) et l'azote (N). Ils forment 96% de la matière vivante. Le calcium (Ca), le phosphore (P), le soufre (S) ainsi que le potassium (K) forment environ 4% du vivant. On trouve également des éléments traces (oligoéléments) comme le fer (Fe), l'iode (I), le cuivre (Cu), etc.

2- Évolution

Avant l'apparition de la vie sur la Terre, certaines réactions chimiques ont eu lieu afin de donner naissance aux diverses molécules organiques. Plusieurs hypothèses ont vu le jour. Une de celles-ci était à l'effet que l'agglutination des atomes avait eu lieu dans la soupe originelle, cet immense océan primitif. En 1920, deux chercheurs indépendants, Oparin et Haldane, postulent que les conditions sur la Terre primitive ont favorisé certaines réactions chimiques entraînant la formation de molécules organiques. Cette hypothèse n'est vérifiée qu'en 1953 par Miller et Urey. Ils mettent au point un système permettant de recréer les conditions atmosphériques sur la Terre primitive.

Aujourd'hui, on pense plutôt que les réactions auraient eu lieu au fond des océans, près des volcans submergés et des sources hydrothermales. Les monomères ainsi formés auraient pu former des polymères sans l'aide d'enzyme. En effet, les chercheurs ont provoqué la polymérisation en plaçant des monomères sur de l'argile, de la pierre ou du sable très chaud. La chaleur provoque l'évaporation de l'eau et concentre les monomères qui peuvent alors se lier spontanément.

Figure 1: Expérience de Miller et Urey

3- Molécules inorganiques

Eau

Le vivant n'est pas constitué uniquement de molécules organiques. Une des plus importantes est inorganique. Il s'agit de l'eau (H2O). La polarité de l'eau engendre la formation de liaisons hydrogène. Ces liaisons confèrent à l'eau des propriétés intéressantes:

Sels

Les sels sont des substances qui peuvent se dissoudre et donner des ions (électrolytes) autres que H+ et OH-. Le chlorure de sodium (NaCl) de même que le chlorure de potassium (KCl) sont des exemples de sels.

Acides

Les substances acides libèrent des ions H+ lorsqu'elles sont dissoutes. Elles contribuent à diminuer le pH. Le chlorure d'hydrogène (HCl) en est un exemple.

Bases

Quant aux bases, elles libèrent des ions OH- et/ou acceptent les ions H+. Par exemple, l'ammoniac (NH3) agit comme une base parce qu'il peut se lier à un proton (H+) et ainsi former un ion ammonium (NH4+). L'hydroxyde de sodium libère des ions OH- lorsqu'il est dissous dans l'eau. Les bases font augmenter le pH.

4- Molécules organiques

Les molécules organiques sont constituées, à la base, de carbone (exception faite du CO2). On regroupe les molécules organiques du vivant en 4 grands groupes.

A) Glucides

Les glucides, aussi nommés hydrates de carbone, sont répartis en trois sous-familles: les monosaccharides comme le glucose, le fructose, le ribose et le désoxyribose.

Glucose

Ribose

Désoxyribose
Figure 2: Monosaccharides

Les disaccharides constitués de l'assemblage de 2 monosaccharides (par exemple le lactose et le sucrose).

Figure 3: Disaccharide

Les polysaccharides qui sont des polymères de monosaccharides. Le glycogène, l'amidon et la cellulose sont tous des polysaccharides formés uniquement de glucose. Parce que les molécules de glucose s'agencent différemment dans l'espace, les molécules n'ont pas les mêmes caractéristiques ni les mêmes fonctions.

Figure 4: Exemples de polysaccharides

Les monosaccharides et les disaccharides sont des combustibles pour les cellules, c'est-à-dire que les cellules les utilisent pour produire de l'énergie. Les polysaccharides ont des fonctions plus variées. Chez les végétaux, l'amidon est une forme de réserve énergétique. Le glucose produit par la plante est entreposé sous forme d'amidon pour être utilisé ultérieurement. Chez les animaux c'est le glycogène qui joue ce rôle. Il est emmagasiné dans les cellules du foie et des muscles. Quant à la cellulose, elle joue un rôle de structure. En effet, la paroi cellulaire des végétaux est composée de cellulose.

B) Lipides

Les lipides sont très diversifiés. Nous nous attarderons sur trois principaux groupes. Tout d'abord, les triglycérides aussi nommés graisses neutres à l'état solide et huile à l'état liquide. Les triglycérides sont formés d'un glycérol (3C) auquel sont attachés 3 acides gras. Ils servent, eux aussi, de réserve énergétique mais à plus long terme que les polysaccharides.

(Forme simplifiée)

Figure 5: Triglycéride

Les phospholipides contiennent un glycérol auquel sont fixés 2 acides gras et un groupement phosphate. Le groupement phosphate forme la tête et est polaire et hydrophile ce qui procure à la molécule ses propriétés chimiques caractéristiques. La tête interagit avec des molécules polaires (comme l'eau). Les 2 acides gras forment la queue de la molécule. Ils sont non polaires et hydrophobes; donc ils interagissent avec d'autres molécules non polaires. Les phospholipides sont les principaux constituants des membranes cellulaires.

(Forme graphique)

Figure 6: Phospholipide

Les stéroïdes constituent une famille très différente des deux précédentes. Au coeur des stéroïdes on retrouve un noyau stérol constitué de 4 cycles carbonés. À ce noyau se greffe un radical qui varie selon le type de stéroïde.

Figure 7: Stéroïde

Le plus connu des stéroïdes est sans doute le cholestérol. On le retrouve dans la membrane cellulaire des animaux. À partir du cholestérol, les organismes peuvent fabriquer d'autres stéroïdes telles les hormones sexuelles (testostérone, progestérone, oestrogène).

Figure 8: Exemples de stéroïdes

C) Protéines

Les protéines sont des polymères constitués d'acides aminés. Il existe environ 20 acides aminés différents. La cellule les assemble selon un ordre précis codé par les gènes. Chaque acide aminé est formé d'un groupement acide (-COOH), d'un groupement amine (-NH2) et d'un radical (-R) qui varie d'un acide aminé à un autre.

Figure 9: Acide aminé

Lorsqu'un acide aminé se lie à un autre acide aminé il se forme une liaison peptidique. La liaison se fait toujours entre un groupement acide d'un acide aminé et le groupement amine d'un autre acide aminé. Elle produit aussi une libération d'eau.

Figure 10: Formation du lien peptidique

Niveaux d'organisation structurale des protéines

La simple séquence d'acides aminés dans une protéine constitue la structure primaire.

Figure 11: Structure primaire

Lorsque les acides aminés s'assemblent, ils provoquent la formation de liaisons (hydrogène entre autres) qui forcent la molécule à se replier sur elle-même. Ce premier repli entraîne la formation soit d'une hélice soit d'un feuillet plissé. Il s'agit de la structure secondaire. Il arrive parfois que la molécule ayant acquis sa structure secondaire se replie encore une fois pour atteindre le niveau de la structure tertiaire. Pour illustrer la structure tertiaire. imaginez un fil de téléphone boudiné qui se replie en une pelote enchevêtrée. Finalement, certaines protéines sont constituées d'un assemblage de plusieurs chaînes. On dit alors que la molécule atteint la structure quaternaire.

La structure générale de la protéine détermine sa fonction. On classe les protéines en deux grandes catégories: les protéines fibreuses, qui sont longues et filiformes, et les protéines globulaires, plus compactes et sphériques.

Dénaturation des protéines

Une protéine peut perdre sa structure tridimensionnelle. Par exemple, la chaleur et l'acidité brisent les liaisons hydrogène; la molécule se déplie et perd sa fonction. On dit qu'elle est dénaturée. Dans la plupart des cas, ce phénomène est réversible.

Que se passe-t-il lorsqu'on fait cuire un oeuf?

Figure 12: Structure secondaire

Figure 13: Structure tertiaire

Figure 14: Structure quaternaire

Les protéines jouent plusieurs rôles. Elles servent de matériaux de construction comme celles que l'on retrouve dans la membrane cellulaire ou encore de support mécanique comme le collagène. Elles participent au mouvement comme les nombreuses protéines des cellules musculaires. Elles servent d'enzymes, c'est-à-dire de catalyseurs aux réactions chimiques. Elles servent de transporteur comme l'hémoglobine qui transporte l'oxygène et le gaz carbonique. Elles sont essentielles dans la défense des organismes comme les anticorps ou encore le venin de serpent. Certaines sont des hormones comme l'insuline. L'ovalbumine sert de réserve nutritive à l'embryon.

D) Acides nucléiques

Les plus grandes molécules des vivants sont sans nul doute les acides nucléiques. Ils sont constitués d'un assemblage de nucléotides, eux-mêmes formés d'un sucre auquel sont attachés un groupement phosphate et une base azotée.

Figure 15: Acide nucléique

Deux sucres peuvent se trouver dans les acides nucléiques. Il s'agit du ribose et du désoxyribose. De plus, il existe 5 types de bases azotées: cytosine (C), thymine (T), uracile (U), guanine (G) et adénine (A). Toutefois, nous ne trouvons jamais plus de 4 sortes de bases azotées dans un acide nucléique donné. Les bases azotées adénine, guanine, cytosine et uracile peuvent se lier au ribose. Cependant, l'uracile ne peut créer de lien avec le désoxyribose. Dans les désoxyribonucléotides il est donc remplacé par la thymine.

L'ARN

Les nucléotides formés de ribose se lient en une longue chaîne: l'ARN (acide ribonucléique). Il existe 3 principales sortes d'ARN qui varient par leur taille et leur forme: ARNr (ribosomal), ARNt (de transfert) et ARNm (messager). Tous les trois jouent un rôle essentiel dans la synthèse des protéines.

Figure 16: Structure de l'ARN (Image: Wikipédia)

L'ADN

L'ADN est constitué de deux brins de désoxyribonucléotides reliés par des ponts hydrogènes. La molécule ressemble à une échelle dont les montants seraient faits de sucre et de phosphate, tandis que les bases azotées, placées une en face de l'autre, formeraient les barreaux. Il est important de noter que l'adénine (purine) est toujours placée en face de la thymine (pyrimidine), et que la cytosine (pyrimidine) est toujours reliée à une guanine (purine). C'est que les montants de la molécules doivent toujours être à égale distance. De plus, certaines bases azotées créent 2 ponts hydrogène tandis que d'autres en créent 3. C'est ce qui limite les possibilités d'agencement.

 

Figure 17: Structure de l'acide désoxyribonucléique (ADN) (Image: Wikipédia)

L'ATP

Il existe un nucléotide qui ne se lie jamais avec d'autres, c'est l'ATP (adénosine triphosphate). L'ATP est une molécule capable d'emmagasiner de l'énergie et de la libérer lorsque la cellule en a besoin. Cette molécule est formée de ribose, d'adénine et de trois groupements phosphate. Lorsque l'ATP laisse aller un groupement phosphate, l'énergie et libérée. L'ATP devient alors l'ADP (adénosine diphosphate). La réaction est réversible, c'est-à-dire que s'il y a de l'énergie qui se dégage d'une réaction, l'ADP peut l'utiliser pour se lier à un groupement phosphate libre et redonner ainsi de l'ATP.

ATP

Figure 18: Structure de l'adénosine triphosphate (ATP)

Pages à lire dans le Campbell: 31 à 33; 47 à 53; 71 à 93; 553; 557.

Sites intéressants

Les molécules de la vie

General and human biology/Diversity

Site de McGraw-Hill relié au livre de Raven (en anglais)

Biologie moléculaire et génétique

Cours de l'Université Pierre et Marie Curie

Nutrition facts

Informations nutritives de plusieurs mets de restaurants (incluant les fast-food)

© TOUS DROITS RÉSERVÉS - Chantal Proulx

Dernière mise à jour le 15 février, 2009