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3 : Macromolécules biologiques - Biologie

3 : Macromolécules biologiques - Biologie


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  • 3.1 : Prélude aux Macromolécules Biologiques
    La nourriture fournit au corps les nutriments dont il a besoin pour survivre. Bon nombre de ces nutriments essentiels sont des macromolécules biologiques, ou de grosses molécules, nécessaires à la vie. Ces macromolécules (polymères) sont construites à partir de différentes combinaisons de molécules organiques plus petites (monomères). De quels types spécifiques de macromolécules biologiques les êtres vivants ont-ils besoin ? Comment se forment ces molécules ? Quelles fonctions remplissent-ils ? Dans ce chapitre, ces questions seront explorées.
  • 3.2 : Synthèse de macromolécules biologiques
    Les macromolécules biologiques sont de grosses molécules, nécessaires à la vie, qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques) ; chacun est un composant cellulaire important et remplit un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majorité de la masse sèche d'une cellule (rappelons que l'eau constitue la majorité de sa masse complète).
  • 3.3 : Importance des glucides
  • 3.4 : Glucides
  • 3.5 : Lipides
  • 3.6 : Protéines
  • 3.7 : Acides nucléiques

3.1 – Synthèse de macromolécules biologiques

Comme vous l'avez appris, les macromolécules biologiques sont de grosses molécules, nécessaires à la vie, qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques). Chacun est un composant cellulaire important et remplit un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majorité de la masse sèche d'une cellule (rappelons que l'eau constitue la majorité de sa masse complète). Les macromolécules biologiques sont organiques, c'est-à-dire qu'elles contiennent du carbone. De plus, ils peuvent contenir de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote et d'autres éléments mineurs.


Ch. 3 Macromolécules biologiques

 Macromolécules biologiques : grosses molécules constituées de plus petites molécules organiques nécessaires à la vie  Quatre macromolécules : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques  Constituent la majorité de la masse sèche de la cellule, l'eau la majorité de la masse de la cellule

A. Synthèse de la déshydratation

 Le bloc de construction unique de la plupart des molécules est un monomère  Les monomères se combinent par une liaison covalente pour former des polymères  Monomère-&gtpolymère = déshydratation  Une molécule d'eau est libérée pendant la synthèse de déshydratation  Un hydrogène (H+) d'un monomère se combine avec un groupe hydroxyle ( OH-) de l'autre  Partage d'électrons (liaison covalente)  Formation d'une nouvelle liaison nécessitant de l'énergie

B. Hydrolyse

 Les molécules d'eau sont utilisées pour décomposer les polymères en monomères  Une partie gagne un atome d'hydrogène (H+) et une autre une molécule d'hydroxyle (OH-)  Une énergie libérant la rupture de liaison

II. Les glucides

 Fournir de l'énergie au corps principalement par le biais du glucose  Le glucose est un sucre simple de l'amidon

A. Structures moléculaires

 Peut être représenté par la stoechiométrie (CH 2 O)nn= le nombre de carbone dans une molécule  Le rapport carbone:hydrogène:oxygène est de 1:2 :  Glucides= « carbo » = carbone « hydrate »= eau  Classés en trois sous-types : monosaccharides, disaccharides et polysaccharides

1. Monosaccharides

 Monosaccharides = « mono » = 1 « saccharides » = sucré  Le sucre simple le plus courant (un monosaccharide) est le glucose  Normalement, 3 à 7 carbones ont tendance à se terminer par le suffixe –ose  Si le sucre a. o un groupe aldéhyde : groupe fonctionnel de structure R-CHO, il est appelé aldose o groupe cétone : groupe fonctionnel de structure RC(=O)R' il est appelé cétose o trois carbones = triose o cinq carbones = pentose o six carbones = hexose  monosaccharides classés en fonction de la position de leur groupe carbonyle et du nombre de carbones dans le squelette  aldose ont un groupe carbonyle est à la fin de la chaîne carbonée  cétose ont un groupe carbonyle au milieu de la chaîne  triose, pentose et hexose ont trois, cinq et six squelettes carbonés  formule chimique du glucose = C 6 H 12 O 6  le glucose est une source d'énergie importante pour l'homme, il libère de l'énergie pendant la respiration cellulaire, cette énergie aide à fabriquer l'adénosine triphosphate (ATP)  les plantes synthétiser du glucose en utilisant du dioxyde de carbone et de l'eau, utilisé pour les besoins énergétiques des plantes  l'excès de glucose est stocké sous forme d'amidon et catabolisé (la cellule décompose les grosses molécules) par les consommateurs  Galactose (partie du lactose, ou sucre du lait)  Fructose (présent dans le sucros e, dans les fruits)

 Le glucose, le galactose et le fructose ont tous la même formule chimique C 6 H 12 O 6 MAIS sont différents chimiquement et structurellement, ce qui en fait des isomères  L'arrangement des groupes fonctionnels autour du carbone asymétrique est différent, ce qui rend également les isomères  Plus d'un asymétrique carbone  Ce sont tous des hexoses mais le glucose et le galactose sont des aldoses tandis que le fructose est du cétose  Les monosaccharides peuvent être une chaîne linéaire ou des molécules en forme d'anneau  Dans les solutions aqueuses, ils se trouvent sous forme d'anneau  Le glucose peut avoir deux arrangements différents de groupe hydroxyle (OH -) autour du carbone anomérique (carbone 1 qui devient asymétrique dans la formation du cycle)  Si le groupe hydroxyle (OH) est inférieur au carbone numéro 1 dans le sucre, il est en position alpha () et en position bêta () au-dessus  Entre les formes linéaires et cycliques, il existe cinq et six monosaccharides de carbone  Lorsque le cycle se forme, le changement de côté sur lequel il se ferme est verrouillé dans une position  ou  Le ribose et le fructose forment des cycles à 5 chaînons tandis que le glucose f ormes 6

2. Disaccharides

 Disaccharides= « di- » = deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (réaction de condensation ou synthèse de déshydratation)  Le groupe hydroxyle d'un monosaccharide se combine avec un hydrogène d'un autre monosaccharide réalisant une molécule d'eau formant une liaison covalente molécule d'hydrate de carbone et une autre molécule (dans ce cas deux monosaccharides) est une liaison glycosidique (liaison glycosidique)  Peut être de type  ou   Lorsqu'un monomère de glucose et un monomère de fructose se joignent dans une réaction de déshydratation formant une liaison glycosidique, du saccharose se forme  Les atomes de carbone dans un monosaccharide sont numérotés à partir du carbone terminal le plus proche du groupe carbonyle  Dans le saccharose, une liaison glycosidique se forme entre le carbone 1 du glucose et le carbone 2 du fructose  Les disaccharides courants sont. o Lactose (présent dans le lait) = glucose et galactose o Maltose (sucre de malt) = glucose et glucose o Saccharose (sucre de table) = glucose et fructose

3. Polysaccharides

 Les longues chaînes de monosaccharides formées par des liaisons glycosidiques sont des polysaccharides = "poly-" = nombreux  Peut être ramifié ou non ramifié et contenir différents types de monosaccharides  Le poids moléculaire peut être de 100,00 daltons ou plus selon le nombre de monomères joints  Primaire les polysaccharides sont. o Amidon : stocké à partir de sucres dans les plantes (excès de glucose) et est un mélange d'amylose (polymère de glucose) et d'amylopectine (polymère de glucose)  Stocké dans différentes parties de la plante comme les racines et les graines  L'amidon dans les graines fournit de la nourriture pour l'embryon et peut être un aliment pour les consommateurs  L'amidon consommé est décomposé par des enzymes (amylases salivaires) en molécules plus petites (maltose et glucose) puis le glucose est absorbé par les cellules  Constitué de monomères de glucose reliés par  1-4 ou  1-6 liaisons glycosidiques  1-4 et 1-6 font référence au nombre de carbone des deux qui se sont joints à partir de la liaison  l'amylose est de l'amidon formé par des chaînes non ramifiées de monomères de glucose (seulement  1-4) liaisons

o Graisse saturée = Graisse animale avec acide stéarique et acide palmitique (commun dans la viande) et graisse avec acide butyrique (commun dans le beurre)  Les adipocytes stockent la graisse chez les animaux  La graisse ou l'huile insaturée est stockée dans de nombreuses graines  Les graisses cis et trans identifient configuration de la molécule autour de la double liaison o Cis = hydrogènes présents dans le même plan (cause la double liaison à se plier ou à « tordre ») empêchant un tassement serré, liquide à température ambiante o Trans = les atomes d'hydrogène sont sur deux plans différents  Les graisses insaturées se composent de. o Huile d'olive o Huile de maïs o Huile de foie de morue o Huile de canola  Les graisses insaturées abaissent le taux de cholestérol sanguin  Les graisses saturées contribuent à la formation de plaque dans les artères  Acides gras saturés : hydrocarbures reliés par des liaisons simples  Gras insaturés : une ou plusieurs doubles liaisons, chacune liaison configuration cis ou trans o Configuration Cis : les deux hydrogènes du même côté de la chaîne d'hydrogène et pli présent o Configuration Trans : hydrogènes sur les côtés opposés

1. Gras trans

 Les huiles sont hydrogénées pour former des semi-solides o La conformation cis dans l'hydrocarbure peut être convertie en doubles liaisons en conformation trans o Certains exemples de graisses trans artificiellement hydrogénées sont la margarine et certains types de beurre d'arachide  L'augmentation des graisses trans dans les régimes alimentaires peut entraîner augmentation des niveaux de lipoprotéines de basse densité (LDL) également connu sous le nom de mauvais cholestérol o Conduire au dépôt de plaque dans les artères

2. Acides gras oméga

 Acides gras essentiels nécessaires mais non synthétisés par le corps humain  Acide gras polyinsaturé oméga-3 car le troisième carbone de la fin de la chaîne hydrocarbonée est relié à son carbone voisin par une double liaison  Le carbone le plus éloigné du groupe carboxyle est numéroté comme oméga ()  Réduire le risque de crise cardiaque soudaine, réduire les triglycérides dans le sang, abaisser la tension artérielle, prévenir la thrombose, réduire l'inflammation, fournir une isolation au corps

B. Cires

 Couvre certains oiseaux aquatiques et les feuilles de certaines plantes  La nature hydrophobe provoque la chute de l'eau  Composé de longues chaînes d'acides gras estérifiés en alcools à longue chaîne

C. Phospholipides

 Sont des constituants majeurs de la membrane plasmique, couche la plus externe de la cellule animale  Composés de chaînes d'acides gras attachés à un squelette de glycérol ou de sphingosine comme les graisses au lieu de 3 acides gras, il y en a 2 (diaclglycérol) et un groupe phosphate modifié  Deux phospholipides importants sont Phosphatidycholine et Phosphatidylsérine :  Un phospholipide est une molécule avec deux acides gras et un groupement phosphate modifié attaché à un squelette de glycérol o Le groupement phosphate peut être modifié par addition de charges ou de groupements chimiques polaires  Choline :  Sérine :  Les phospholipides sont amphipathiques : a une partie à la fois hydrophobe et hydrophile

 Les acides gras sont hydrophobes  Le groupe contenant du phosphate est hydrophile  La bicouche phospholipidique est le composant majeur des membranes cellulaires, responsable de la nature dynamique de la membrane plasmique  Forme micelle = têtes de phosphate hydrophiles face à l'extérieur et acides gras face à l'intérieur

D. Stéroïdes

 Contrairement aux phospholipides et aux graisses, les stéroïdes ont une structure en anneaux fusionnés.  Sont hydrophobes et insolubles. cholestérol = stéroïde le plus courant o synthétisé dans le foie o précurseur de nombreuses hormones stéroïdes (testostérone et estradiol) et vitamine o trouvée dans la bicouche phospholipidique o responsable du transport des matériaux, de la reconnaissance cellulaire et de la communication intercellulaire

IV. Protéines

 L'une des molécules organiques les plus abondantes dans le système vivant  La gamme la plus diversifiée de fonctions de toutes les macromolécules  Peut être structurelle, régulatrice, contractile ou protectrice  Peut être le transport, le stockage ou les membranes  Peut être des toxines ou des enzymes  Chaque cellule contient des milliers de protéines avec des fonctions et des structures uniques  Ce sont des polymères construits à partir d'acides aminés disposés en séquence linéaire

A. Types et fonctions des protéines

 Enzymes : produites par des cellules vivantes et catalyseur dans des réactions biomédicales comme la digestion  Spécifiques pour le substrat, peuvent se décomposer, réorganiser, réaction de synthèse (toutes les enzymes le font . catalyseur organique) o réactions de synthèse  Hormones : molécules de signalisation chimique, petites protéines ou stéroïdes sécrétés par les cellules endocrines qui contrôlent ou régulent des processus physiologiques spécifiques o Croissance o Développement o Métabolisme o Reproduction  Types et fonctions de protéines Exemples de types Fonctions Digestive Enzymes Amylase, lipase, pepsine, trypsine

Aide à la digestion des aliments en catabolisant les nutriments en unités monomériques.


Hydrolyse

Les polymères se décomposent en monomères lors de l'hydrolyse. Une réaction chimique se produit lors de l'insertion d'une molécule d'eau à travers la liaison. La rupture d'une liaison covalente avec cette molécule d'eau dans le composé permet d'atteindre cet objectif (Figure). Au cours de ces réactions, le polymère se décompose en deux composants : une partie gagne un atome d'hydrogène (H+) et l'autre gagne une molécule d'hydroxyle (OH–) à partir d'une molécule d'eau divisée.

Dans la réaction d'hydrolyse ici, le disaccharide maltose se décompose pour former deux monomères de glucose en ajoutant une molécule d'eau. Notez que cette réaction est l'inverse de la réaction de synthèse de la figure.

Déshydratation et réactions d'hydrolyse sont catalysées, ou « accélérées », par des enzymes spécifiques, les réactions de déshydratation impliquent la formation de nouvelles liaisons, nécessitant de l'énergie, tandis que les réactions d'hydrolyse rompent les liaisons et libèrent de l'énergie. Ces réactions sont similaires pour la plupart des macromolécules, mais chaque réaction de monomère et de polymère est spécifique à sa classe. Par exemple, les enzymes catalytiques du système digestif hydrolysent ou décomposent les aliments que nous ingérons en molécules plus petites. Cela permet aux cellules de notre corps d'absorber facilement les nutriments dans l'intestin. Une enzyme spécifique décompose chaque macromolécule. Par exemple, l'amylase, la sucrase, la lactase ou la maltase décomposent les glucides. Les enzymes appelées protéases, telles que la pepsine et la peptidase, et l'acide chlorhydrique décomposent les protéines. Les lipases décomposent les lipides. Ces macromolécules décomposées fournissent de l'énergie pour les activités cellulaires.


Molécules biologiques

Avant de commencer, supposons que vous connaissez ces concepts chimiques de base :

  • Atomes et éléments
  • Tableau périodique des éléments
  • électrons de valence
  • Électronégativité
  • Liaisons chimiques

Si vous ne les connaissez pas, vous devriez consulter notre page Web : Contexte chimique pour la biologie. Vous pouvez également lire une explication plus complète dans le manuel OpenStax Biology (gratuit): 2.1 Atoms, Isotopes, Ions and Molecules: the Building Blocks

1. Tous les organismes vivants sont constitués de molécules organiques.
L'une des caractéristiques distinctives de la vie est que les cellules sont constituées de composés organiques et de grosses molécules construites à partir de composés organiques simples. Jusqu'au début du XIXe siècle, les scientifiques pensaient que seuls les organismes vivants pouvaient fabriquer des composés organiques. Les composés organiques sont tous construits à partir d'atomes de carbone, mais toutes les molécules contenant du carbone ne sont pas organiques. Alors, comment reconnaît-on les molécules organiques ?

  • Molécules organiques doit avoir C et H, et peut avoir O, N, P, S (un mnémonique pratique est CHNOPS pour le carbone, l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, le phosphore et le soufre)
  • Les molécules organiques ont au moins une liaison covalente entre C et H ou entre C et C. Dans le jargon de la chimie, l'atome de carbone dans les molécules organiques doit être réduit et ne pas être pleinement oxydé (n'a des liaisons covalentes qu'avec les atomes d'oxygène). Le dioxyde de carbone (CO2 O=C=O) est une forme inorganique de carbone car l'atome de carbone n'a de liaisons qu'avec les atomes d'oxygène et est donc complètement oxydé.
  • (Une exception aux règles ci-dessus est l'urée, où le carbone a des liaisons avec 2 azotes aminés et une double liaison avec l'oxygène, mais nous ne vous demanderons pas de vous rappeler que cette exception se concentre sur les règles générales ci-dessus.)

Les molécules organiques peuvent provenir naturellement de la synthèse abiotique (voir Miller-Urey expt), mais dans la biosphère, la plupart des molécules organiques sont synthétisées par des organismes vivants.
La synthèse de molécules de carbone organique à partir de CO2 inorganique nécessite de l'énergie et un pouvoir réducteur chimique, car les atomes de carbone des molécules organiques sont en réduit former. Pour une revue de oxydo-réduction (redox) réactions d'un point de vue biologique, voir cette vidéo Khan Academy. En bref, des atomes tels que le carbone ou l'oxygène sont dits réduits s'ils forment des liaisons covalentes avec un atome de moindre électronégativité, tel que l'hydrogène. A l'inverse, le carbone est oxydé lorsqu'il forme une liaison covalente avec un atome avec une plus grande électronégativité, comme l'oxygène. Rappelons qu'une liaison covalente se forme lorsque deux atomes partagent une paire d'électrons. L'atome réduit a acquis une part majoritaire des électrons qui forment la liaison covalente, et l'atome oxydé n'a qu'une part minoritaire.

2. La biomasse d'une cellule (le contenu organique, hors eau et sels inorganiques) est composée de 3 types de macromolécules plus des lipides.

Les 3 types de macromolécules (très grosses molécules) sont les polysaccharides, les acides nucléiques (ADN et ARN) et les protéines. Les élèves devraient savoir comment les cellules fabriquent ces macromolécules, ainsi que leurs structures et fonctions de base.

3. Les petites molécules organiques sont liées de manière covalente (polymérisées) pour former les 3 types de grandes macromolécules biologiques (polymères) dont les membranes lipidiques s'auto-assemblent.

Une étude récente a conclu que les cellules sont composées de 68 molécules organiques distinctes (https://ucsdnews.ucsd.edu/newsrel/health/09-0868Molecules.asp) qui sont assemblées en 3 polymères biologiques plus des structures lipidiques (membranes).
La polymérisation des monomères en polymères se produit par réactions de déshydratation La liaison de deux sous-unités via une liaison covalente extrait un -OH et un H pour créer une molécule d'eau : H2O. Ainsi, les réactions de déshydratation enlèvent une molécule d'eau des molécules de départ dans le processus de formation d'une liaison covalente entre les molécules.

Le clivage des polymères en monomères se produit par réactions d'hydrolyse – une molécule d'eau est divisée (hydrolysée) en -OH et H et utilisée pour rompre la liaison reliant deux sous-unités. C'est exactement l'inverse d'une réaction de déshydratation. Voir les diagrammes ci-dessous sur les liaisons glycosidiques et les liaisons peptidiques pour voir comment les molécules d'eau sont créées ou utilisées dans ces réactions.

Lipides sont par définition des molécules organiques insolubles dans l'eau. Les lipides dans l'eau peuvent s'agréger spontanément via interactions hydrophobes pour former des membranes bicouches lipidiques. Les interactions hydrophobes proviennent de molécules non polaires évitant l'eau - le fait que toutes les molécules non polaires s'associent ensemble minimise leur interaction avec l'eau.

Comment prédire si une molécule organique sera hydrophobe (un lipide) ou hydrophile ? Si la molécule a des atomes chargés négativement ou positivement (est ionisée), ou a une forte proportion de liaisons polaires (C-O ou C-N), alors la molécule est hydrophile. Si les molécules ont pour la plupart des liaisons non polaires (C-H ou C-C), alors elles sont hydrophobes.

Vous trouverez ci-dessous les descriptions des 3 types de macromolécules et de membranes lipidiques :
une. Polysaccharides sont des polymères fabriqués en liant des monosaccharides via liaisons glycosidiques (voir figure ci-dessous). Des exemples sont l'amidon, la cellulose et la chitine. Monosaccharides sont des molécules organiques de composition [CH2O]n, où n vaut généralement 3-6. Des exemples sont les sucres à 6 carbones comme le glucose et les sucres à 5 carbones comme le ribose. Les glucides peut désigner soit des monosaccharides de la composition [CH2O]n, soit des polysaccharides. Les glucides complexes ont souvent des structures ramifiées.

b. Acides nucléiques (ARN et ADN) sont des polymères fabriqués en joignant nucléotides (sucre-phosphate à 5 carbones + base azotée) dans une liaison phosphodiester. La liaison hydrogène entre les bases appariées (A:T et G:C) stabilise les duplex d'ADN et les structures secondaires d'ARN qui se forment par appariement de bases intramoléculaires (A:U et G:C).

c. Polypeptides (protéines) sont des polymères d'acides aminés, reliés entre eux par liaisons peptidiques. Des liaisons peptidiques se forment entre les carboxyle groupe (carbone auquel sont liés 2 atomes d'oxygène) d'un acide aminé et le aminé (azote avec 2 atomes d'hydrogène) de l'acide aminé suivant. Tous les acides aminés ont un azote, un alpha-carbone avec une chaîne latérale (le groupe R dans le diagramme ci-dessous - les 20 acides aminés différents diffèrent par leurs groupes R) et un carbone carboxyle. L'azote, le carbone alpha et le carbone carboxyle forment le épine dorsale peptidique d'une chaîne polypeptidique. Les figures des structures protéiques ne montrent souvent que le squelette peptidique, laissant de côté les groupes R de la chaîne latérale.

La façon dont les protéines se replient dans leurs structures tridimensionnelles globales et interagissent les unes avec les autres pour former des complexes multiprotéiques plus grands est déterminée par diverses liaisons et interactions, comme décrit ci-dessous (section 6).
Les élèves devraient être capables de faire la distinction entre ces macromolécules et d'identifier les monomères qui construisent chaque type de macromolécule.

ré. Les organismes vivants contiennent également membranes bicouches lipidiques constitué de phospholipides. Les phospholipides s'auto-assemblent spontanément dans l'eau pour former des membranes bicouches, via des interactions hydrophobes.

Les bicouches phospholipidiques créent des limites et un environnement hydrophobe qui sépare l'environnement aqueux interne du cytosol de l'extérieur de la cellule, et sépare également des compartiments organites intracellulaires distincts dans les cellules eucaryotes. Les membranes permettent aux cellules de créer et de maintenir de grandes différences dans les concentrations d'ions qui stimulent le métabolisme énergétique cellulaire, de réguler le transport de matériaux et d'eau dans et hors de la cellule, et de recevoir et de détecter des signaux extracellulaires.

4. Les cellules utilisent les différentes classes de macromolécules biologiques de différentes manières.
une. Les polysaccharides sont principalement utilisés pour le stockage d'énergie (glycogène, amidon) et les structures statiques (telles que la cellulose, la chitine), mais peuvent également jouer un rôle important dans la reconnaissance/l'adhésion et la signalisation cellulaire.

b. Les protéines sont principalement utilisées pour les activités enzymatiques, la signalisation et les composants structurels dynamiques.

c. Les acides nucléiques sont utilisés pour le stockage et la récupération d'informations génétiques (ADN ou ARN) (ARNm). Certains ARN jouent des rôles catalytiques clés dans le traitement de l'information (épissage d'ARN, synthèse de protéines).

ré. Les lipides sont utilisés pour définir la limite cellulaire, compartimenter la cellule (chez les eucaryotes), pour le stockage de l'énergie (triglycérides : graisses et huiles) et la signalisation (hormones stéroïdes et autres lipides).

5. Les cellules ont deux types d'acides nucléiques : l'ADN et l'ARN, qui diffèrent de manières clés
L'ADN a des bases A, C, G et T, du désoxyribose et deux brins qui forment un duplex via des liaisons hydrogène entre les bases d'un brin et les bases complémentaires du brin partenaire. La fonction principale de l'ADN est le stockage et la transmission d'informations héréditaires

L'ARN a des bases A, C, G et U, du ribose et un brin qui peut former des duplex internes (appelés structure secondaire d'ARN) en se repliant sur lui-même. Dans les cellules, l'ARN fonctionne dans l'expression de l'information génétique dans l'ADN pour fabriquer des protéines (ARNm, ARNt, ARNr et autres petites molécules d'ARN), mais peut également servir au stockage d'informations héréditaires dans de nombreux virus (par exemple, grippe, VIH, Ebola) .

Sommaire:

Principaux composants de la biomasse Sous-unités Composition élémentaire primaire* Fonctions principales
Lipides hydrocarbures C, H membranes stockage d'énergie signalisation
Les glucides monosaccharides C, H, O stockage d'énergie structures statiques adhésion cellulaire
Protéines acides aminés C, H, O, N, S enzymes structures dynamiques signalisation
Acides nucléiques nucléotides C, H, O, N, P stockage et traitement des informations héréditaires

* Chacune de ces molécules peut avoir des modifications ou être liée à d'autres molécules qui incluent O, N, P ou S – les compositions élémentaires sont données pour les types de molécules basales.

6. Les structures protéiques peuvent être décrites à 4 niveaux
Parmi toutes les macromolécules biologiques, les protéines ont les structures les plus complexes et dynamiques. De nombreuses protéines consistent en une seule chaîne polypeptidique. De nombreuses autres protéines sont constituées de deux chaînes polypeptidiques ou plus qui doivent s'assembler correctement pour former un complexe fonctionnel. La fonction d'une protéine est déterminée par sa structure. Un changement dans l'activité de la protéine implique un changement dans certains aspects de la structure de la protéine. Qu'est-ce qui détermine alors la structure d'une protéine ?

Chaque polypeptide est assemblé sous la forme d'une chaîne linéaire d'acides aminés liés de manière covalente par des liaisons peptidiques. Au fur et à mesure que cette chaîne est assemblée (chaque acide aminé suivant est lié à l'extrémité carboxy libre de la chaîne polypeptidique naissante), la chaîne polypeptidique commence à se replier.

Les biologistes distinguent 4 niveaux de structure protéique. Les élèves devraient être capables d'identifier les quatre niveaux de structure des protéines et les forces ou interactions moléculaires responsables de la stabilisation de chaque niveau de structure.

Quatre niveaux de structure protéique

Structure primaire – la séquence linéaire d'acides aminés, maintenue ensemble par des liaisons peptidiques covalentes.
Structure secondairehélices alpha et fiches bêta, stabilisé par des liaisons hydrogène entre épine dorsale peptidique groupes amino et groupes carboxyle d'acides aminés dans la même chaîne polypeptidique, mais pas immédiatement l'un à côté de l'autre. Notez que les groupes R des chaînes latérales ne sont pas impliqués dans les liaisons qui stabilisent les structures secondaires.

Structure tertiaire Forme globale en 3D de la chaîne polypeptidique repliée, qui peut être décrite comme les relations spatiales des éléments de structure secondaires liés par des boucles. Stabilisé par divers types d'interactions de la chaîne latérale d'acides aminés (groupe R), y compris : les interactions hydrophobes et van der Waals, les liaisons hydrogène, les liaisons ioniques, les liaisons disulfure covalentes entre les résidus de cystéine et les interactions avec les molécules d'eau du solvant.

Structure quaternaire – assemblage de deux ou plusieurs polypeptides repliés en une unité protéique fonctionnelle. Stabilisé par des interactions hydrophobes inter-chaînes et de van der Waals, des liaisons hydrogène, des liaisons ioniques et des liaisons disulfure covalentes entre les résidus cystéine sur différentes chaînes polypeptidiques. Les protéines qui consistent en une seule chaîne polypeptidique n'ont pas de structure quaternaire, seules les protéines qui ont deux chaînes polypeptidiques ou plus ont une structure quaternaire.

7. Les changements dans la séquence d'acides aminés (structure primaire) d'une protéine peuvent modifier la structure de la protéine et son fonctionnement.

Exemples de cas :

Hémoglobine: Le cas classique explorant la structure des protéines est l'hémoglobine. L'hémoglobine fonctionnelle est un tétramère, constitué de deux chaînes polypeptidiques d'alpha-globine et de deux chaînes polypeptidiques de bêta-globine. L'hémoglobine nécessite également un cofacteur, l'hème (également appelé groupe prothétique), contenant un atome de fer qui lie l'oxygène.

Questions auxquelles il faut répondre après avoir regardé la vidéo ci-dessus :

  1. Quels niveaux de structure protéique l'hémoglobine présente-t-elle?
  2. La mutation la plus courante de la drépanocytose transforme un acide glutamique (un acide aminé chargé négativement) de la bêta-globine en valine (un acide aminé hydrophobe). Où vous attendriez-vous le plus souvent à trouver un acide aminé chargé comme l'acide glutamique, à l'intérieur de la protéine repliée ou à la surface, interagissant avec les molécules d'eau du solvant ?
  3. Selon vous, lequel des changements suivants pourrait également causer la drépanocytose ?
    1. l'acide glutamique se transforme en acide aspartique, un autre acide aminé chargé négativement
    2. l'acide glutamique se transforme en lysine, un acide aminé chargé positivement
    3. l'acide glutamique se transforme en tryptophane, un acide aminé hydrophobe
    4. l'acide glutamique se transforme en sérine, un acide aminé hydrophile non chargé

    Fibrose kystique: La mutation la plus courante associée à la mucoviscidose entraîne l'omission d'un seul acide aminé, une phénylalanine, de la protéine appelée CFTR (régulateur de la conductance transmembranaire de la mucoviscidose). La protéine CFTR fonctionne comme un canal chlorure dans la membrane, formé lorsque la longue chaîne polypeptidique CFTR traverse plusieurs fois la membrane dans les deux sens. L'absence de cette phénylalanine, qui a une grande chaîne latérale hydrophobe, provoque un mauvais repliement de la protéine. La plupart des protéines mal repliées sont reconnues par le système de contrôle de qualité cellulaire et envoyées au centre de recyclage cellulaire (le protéasome), seulement environ 1 % de la protéine CFTR mal repliée parvient à la bonne destination, la membrane plasmique. Mon étude de cas est publiée sous forme de billet de blog :
    Mucoviscidose : une étude de cas pour les membranes et le transport

    Extrémophiles : Les microbes qui vivent dans des environnements extrêmes de température, de sel et de pH ont des protéines adaptées pour la stabilité structurelle dans ces environnements extrêmes.

    Questions pour examen, recherches supplémentaires et réflexion :

    1. Tous les organismes vivants synthétisent-ils des molécules organiques à partir de molécules inorganiques ?
    2. Quels processus ont créé les molécules organiques avant l'apparition de la vie ? Dans quels environnements ?
    3. Pourquoi les protéines ont-elles des activités enzymatiques, mais généralement pas les polysaccharides ou les acides nucléiques ?
    4. Les atomes de carbone sont sous leur forme la plus réduite dans quel type de molécules organiques – glucides, lipides, protéines ou acides nucléiques ?
    5. Quelles macromolécules ont souvent des structures ramifiées ?
    6. Si vous chauffez un extrait cellulaire à ébullition pendant quelques minutes, quel sera l'effet sur les 3 types de polymères biologiques (polysaccharides, protéines et acides nucléiques) ? Pensez en termes de liaisons responsables des structures de ces molécules. C'est ce qui se passe lors de la cuisson des aliments !
    7. À partir de la question n° 6 ci-dessus, comment les changements de pH ou de concentrations de sel affecteront-ils les solutions de chaque type de macromolécule ?

    Les gens ont conservé les aliments dans du vinaigre et du sel avant que la réfrigération ne devienne disponible.

    Les slides Powerpoint des vidéos de cette page sont dans ce fichier : B1510_module3_1a_biomolecules


    Les macromolécules de la vie : aperçu

    Découvrez les structures moléculaires de base et les fonctions principales des lipides avec ce didacticiel interactif. Il s'agit de la troisième partie d'une série en cinq parties.

    Type de ressource principale : didacticiel original

    Découvrez les structures moléculaires de base et les fonctions principales des protéines avec ce didacticiel interactif. Il s'agit de la quatrième partie d'une série en cinq parties.

    Type de ressource principale : didacticiel original

    Apprenez à identifier et à décrire les caractéristiques structurelles et fonctionnelles des acides nucléiques, l'un des 4 principaux groupes de macromolécules en biologie

    Type de ressource principale : didacticiel original

    Pièces jointes

    • SC.912.L.18.1: Décrire les structures moléculaires de base et les fonctions primaires des quatre grandes catégories de macromolécules biologiques.

    Apprenez à identifier les quatre macromolécules biologiques de base (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques) par structure et fonction avec ce didacticiel interactif.

    Il s'agit de la première partie d'une série en cinq parties. Cliquez ci-dessous pour explorer les autres didacticiels de la série.


    Biomolécules

    Il existe quatre types fondamentaux de macromolécules biologiques : les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Ces polymères sont composés de différents monomères et remplissent différentes fonctions.

    • Les glucides: molécules composées de monomères de sucre. Ils sont nécessaires au stockage de l'énergie. Les glucides sont également appelés saccharides et leurs monomères sont appelés monosaccharides. Le glucose est un monosaccharide important qui est décomposé pendant la respiration cellulaire pour être utilisé comme source d'énergie. L'amidon est un exemple de polysaccharide (de nombreux saccharides liés entre eux) et est une forme de glucose stocké dans les plantes.
    • Lipides: molécules insolubles dans l'eau qui peuvent être classées comme graisses, phospholipides, cires et stéroïdes. Les acides gras sont des monomères lipidiques constitués d'une chaîne hydrocarbonée avec un groupe carboxyle attaché à la fin. Les acides gras forment des polymères complexes tels que les triglycérides, les phospholipides et les cires. Les stéroïdes ne sont pas considérés comme de véritables polymères lipidiques car leurs molécules ne forment pas de chaîne d'acides gras. Au lieu de cela, les stéroïdes sont composés de quatre structures en forme d'anneau de carbone fusionné. Les lipides aident à stocker l'énergie, à amortir et à protéger les organes, à isoler le corps et à former des membranes cellulaires.
    • Protéines : biomolécules capables de former des structures complexes. Les protéines sont composées de monomères d'acides aminés et ont une grande variété de fonctions, notamment le transport de molécules et le mouvement musculaire. Le collagène, l'hémoglobine, les anticorps et les enzymes sont des exemples de protéines.
    • Acides nucléiques: molécules constituées de monomères nucléotidiques liés entre eux pour former des chaînes polynucléotidiques. L'ADN et l'ARN sont des exemples d'acides nucléiques. Ces molécules contiennent des instructions pour la synthèse des protéines et permettent aux organismes de transférer des informations génétiques d'une génération à l'autre.

    Le rôle du carbone dans les êtres vivants

    Un atome de carbone a quatre électrons dans sa couche de valence. Pour devenir stable, le carbone formera quatre liaisons covalentes pour remplir son enveloppe de valence externe. Ces liaisons peuvent être avec d'autres atomes de carbone, ou avec d'autres éléments tels que l'hydrogène et l'oxygène. Lorsque deux atomes de carbone forment une liaison covalente, chaque atome peut partager :

    • un électron pour former un Célibataire lier,
    • deux électrons pour former un double caution ou,
    • trois électrons pour former un tripler lier.

    Les atomes de carbone se lient les uns aux autres de différentes manières pour former des composés de différentes formes, notamment, droit-chaîne, chaîne ramifiée, ou anneau composés. Ces composés peuvent avoir n'importe quel nombre d'atomes de carbone et contiendront des atomes d'autres éléments, dont le plus fréquent est l'hydrogène. Il en résulte qu'un grand nombre de composés carbonés sont synthétisés dans les organismes vivants.

    Monomères et polymères

    Les composés de carbone varient considérablement en Taille from a single carbon like that seen in methane (CH4) to those which contain hundreds or thousands of atoms. The largest carbon-based molecule known to exist is called PG5 and contains around 15 million carbon atoms.

    Cells synthesize (make) macromolecules by joining smaller molecules called monomers ensemble. These large macromolecules are called polymers are defined as a long chain of repeating subunits (monomers). An example of this is seen when amino acids are bonded together to form a polypeptide chain.

    Condensation reaction (dehydration synthesis)

    Polymers are made through a chemical reaction called condensation. In this reaction, the monomers which are being bonded together have a hydrogen atom (–H) on one end and a hydroxyl group (–OH) group on the other. When the molecules join, the hydrogen atom and hydroxyl group bond and are removed as a water molécule.

    The subunits are bonded together by a covalent bond, as the water molecule is released.

    The figure below shows the condensation of two glucose molecules to form a maltose molecule. The covalent bond forms between the glucose units.

    When these polymers break apart the reverse reaction called hydrolyse occurs.

    Les glucides

    Carbohydrates as their name suggest consist of carbon, hydrogen and oxygen. The ratio of these atoms is approximately deux hydrogen atoms and une oxygen atom to une carbon atom. These macromolecules are the most abundant in the living cell and are used as the primary fuel source for all living cells.

    Carbohydrates have various chain lengths and can be divided into three categories: monosaccharides, disaccharides, et polysaccharides.

    Monosaccharides (mono- = “one” sacchar- = “sugar”) are the simplest type of carbohydrates and typically contain between 3 et 7 carbon atoms. The most common examples in this category are the compounds glucose et fructose.

    Disaccharides (di- = “two”) are deux-sugar molecules that form when two monosaccharides join via a condensation réaction. For example, when glucose and fructose form a covalent bond, a molecule of sucrose commonly known as table sugar is produced.

    Polysaccharides (poly- = “many”) are the largest carbohydrate molecules. These are long chains of monosaccharides linked together by covalent bonds. Starch, glycogen, and cellulose are examples of polysaccharides that are essential in living organisms. Their structure is shown in the diagram below.

    • Amidon consists of branched chains of glucose molecules and is utilized as energy storage by plants.
    • Glycogène is a highly branched glucose polymer that functions as an énergie storage molecule found in the liver and muscle cells of mammals.
    • Cellulose is a glucose polymer that is typically found in the plant cell walls and serves as structural

    Lipides

    Lipids consist of carbon and hydrogen atoms bonded to a small number of oxygène atoms. Lipids are used to store energy, as insulation, form cell membranes, and provide the building blocks for hormones such as testosterone and estrogen. The most common examples of lipids are fats, oils, waxes, and steroids. Lipids are generally insoluble in water because they have a non polar region which is not attracted to water molécules.

    Lipids are made of glycerol, a three-carbon molecule that serves as the ‘backbone’ for the structure to which the fatty acids are attached. A fatty acid is a long chain of carbon and hydrogen. If the carbon atoms in the chain are bonded to other carbons with Célibataire bonds, the fatty acid is called a saturated fatty acid. When a double bond exists in the chain, the fatty acid is called an unsaturated fatty acid. Fatty acids which contain more than one double bond are called polyunsaturated fatty acids.

    Protéines

    Proteins are large, complex polymers which are made up of carbon, hydrogen, oxygen, azote, and sometimes sulfur.

    They are one of the most abundant macromolecules found in living systems. A single living cell contains thousands of proteins that perform unique functions such as the contraction of muscle tissue, transportation of oxygène in the bloodstream, immunité, control of other proteins, and speeding up chemical reactions.

    Acides aminés are monomers that form the building blocks of a protein molecule. Il y a 20 naturally-occurring amino acids that, in various combinations produce thousands of proteins, each with their own unique function. An amino acid is composed of a central carbone atom which is bonded to a hydrogen atom, a carboxyl group (–COOH), an amine group (–NH2), and a variable group (–R) that makes each amino acid different.

    Amino acids are bonded together by covalent bonds called a liaison peptidique. The peptide bond is formed when the –H atom from the amine group of one amino acid and the –OH group from the carboxyl group of another amino acid are removed to release a water molecule as is seen in the reaction below.

    As the amino acids join together, they create a long chain known as a polypeptide shown in the diagram below.

    The different chemical properties of amino acids cause them to attract and repel each other in different ways. The attraction and repulsion of the amino acids cause the polypeptide chain to fold back and forth on itself into pleated sheets or coiled up helices. The folding is then stabilized by hydrogen bonds. As the side chains interact and continue to fold up, the polypeptide forms a three-dimensional structure. This structure then joins with other coiled up polypeptide chains into the final protein which has a specific role in the cell. This process is summarized in the diagram below.

    Two of the most common types of proteins which act in the human body are enzymes et hormones.

    1. Enzymes speed up the rate of a biochemical reaction — for example, salivary amylase acts on starch found in bread, pasta and rice to break it down into monosaccharides such as glucose.
    2. Les hormones are biochemical messengers that are released by endocrine cells to control specific processes, such as growth, development, metabolism, and reproduction. The hormone insulin controls the amount of glucose present in the blood.

    Acides nucléiques

    Nucleic acids are the genetic material that stores cellular information. These polymers are made up of small building blocks called nucléotides. Nucleotides are composed of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and phosphore atoms arranged as three separate molecules (a nitrogenous base, a sugar, and a phosphate molecule) which have been bonded together. The structure of the nucleotide is shown below.

    The two naturally-occurring varieties of nucleic acid are deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA).

    DNA (Deoxyribonucleic acid)

    DNA is a double-stranded molecule which is found in the nucleus of the cell. It is the main copy of an organism’s genetic code containing the instructions to create every protein required by the cell. These proteins are then expressed as characteristics or traits in the organism.

    RNA (Ribonucleic acid)

    RNA is the nucleic acid molecule which forms the copy of DNA that is used to make proteins. Unlike the DNA molecule, RNA is a single-stranded molecule. There are four types of RNA: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), transfer RNA (tRNA), and regulatory RNAs.


    3: Biological Macromolecules - Biology

    Listed below are links to pages containing 3-dimensional displays of models of molecules of Biological interest.
    These may be moved in an intuitive way using the computer mouse or touchscreen.
    In the explanatory text are links which highlight features of the molecule or give extra information.

    These units are now based on HTML5 and javascript, so they should be more accessible from most PCs and tablets, including iPads.
    These are mostly upgrades of my previous units on molecules which used applets based on Java .

    On Windows PCs, best results are obtained using Firefox or Chrome. Internet Explorer displays interaction in a rather slow and jerky way.

    Some files have been converted to be compatible with mobiles and tablets which have a narrower screen, incompatible with the display format used on desktop/laptop machine.
    But it is a tedious process, and the potential "responsive" template appears to work but breaks some rules about HTML5 formatting.

    CARBOHYDRATES - in Jsmol format
    Monosaccharides
    hexoses glucose alpha and beta glucose
    fructose glucose-galactose comparison
    pentoses ribose deoxyribose
    glucose derivatives glucosamine N acetyl glucosamine
    Disaccharides
    glucose dimers maltose cellobiose
    mixed dimers saccharose lactose
    Oligosaccharides
    fructo-oligosaccharides nystose inulin
    Polysaccharides
    storage compounds - animal glycogène
    storage compounds - plants amylose [another form of amylose] amylopectin
    structural compounds - plants cellulose
    starch-iodine test amylose-iodide complex
    AMINO ACIDS - in Jsmol format
    All shown on one page 20 amino acids
    Individual amino acids
    - seen a little larger
    glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, serine, threonine, lysine, histidine, arginine, phenylalanine, tyrosine, tryptophan, cysteine, methionine, aspartic acid, asparagine, glutamic acid, glutamine, proline
    DIPEPTIDE
    Special request Leucine-alanine
    PROTEINS- in Jsmol format
    Levels of protein structure General principles as shown by Insulin
    as shown by Glucagon, Fibroin as shown by hCG
    as shown by Haemoglobin as shown by Myoglobin
    Enzyme structure Amylase as an example
    Pepsine
    Pepsinogen
    More to be added soon
    Fibrous proteinsCollagen
    LIPIDS (FATS and OILS)
    Sub-units glycerol saturated and unsaturated fatty acids
    Polyunsaturated fatty acids alpha-linolenic acid gamma-linolenic acid
    More about functional foods plant sterols and stanols and their esters
    Neutral fats triglycerides monoglycerides and diglycerides
    phospholipids bicouche phospholipidique
    cardiolipin
    Sterols and steroids cholestérol More to follow
    NUCLEIC ACIDS
    Section ADN
    nucléotidesAMP, TMP pair GMP, CMP pair
    socles DNA bases RNA bases
    co-enzymes ATP NAD and reduced NAD
    Nucleoside analogues Emtricitabine
    Tenofovir
    AZT
    Fialuridine XXX
    Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor ( NNRTI) Efavirenz
    Base analogues 5-FluoroUracil (5FU)
    Nucleotide analogues Remdesivir
    VITAMINS - in Jsmol format
    Fat Soluble Vitamin A Water Soluble Vitamin B1
    Retinal Vitamin B2
    Vitamin B3
    Vitamin D Vitamin B5
    Vitamin B6
    Vitamin E Vitamin B7
    Vitamin B9
    Vitamin K Vitamin B12
    Vitamine C

    Beta
    Lactams
    Exemples
    Penicillins
    (Penems)
    Pénicilline G
    Amoxicillin
    Ampicilline
    Methicillin
    Cephalosporins
    (Cephems)
    Cephalexin
    Monolactams

    Web references and useful websites

    The Protein Data Bank (PDB https://www.rcsb.org/pdb/ ) is the single worldwide archive of structural data of biological macromolecules, now containing more than 100,000 structures.

    Structural View of Biology is a portion of the PDB, focusing on the biological function of the molecules.

    Orientations of Proteins in Membranes (OPM) database "provides spatial arrangements of membrane proteins with respect to the hydrocarbon core of the lipid bilayer."

    FirstGlance in Jmol is a simple tool for macromolecular visualization.

    ChemInteractive is a free site designed to promote active learning of Chemistry. It is targeted at students learning Organic Chemistry in the early years of College or University programmes.

    The DrugBank database is a unique bioinformatics and cheminformatics resource that combines detailed drug (i.e. chemical, pharmacological and pharmaceutical) data with comprehensive drug target (i.e. sequence, structure, and pathway) information.

    ChemSpider is a free chemical structure database owned by the Royal Society of Chemistry.


    Biological Macromolecules: Carbohydrates

    A biological macromolecule is defined as a large molecule made up of smaller organic molecules, known as monomers. There are four classes of biological macromolecules, one of them being carbohydrates. Carbohydrates are made of three base elements Carbon, Hydrogen, and Oxygen in a 1:2:1 ratio.

    There are three different classes of carbohydrates monosaccharides, disaccharides, and oligosaccharides. These three saccharides will be further looked into in terms of structure, bonds, and uses, along with the differences between the three.

    Monosaccharides, otherwise known as simple sugars, can be differentiated from di- and oligosaccharides because of their ringed structure. A monosaccharide is made up of a carbon backbone, with many hydroxyl groups (OH) attached to it. Depending on the number of carbons, a monosaccharide can be a trios (3 carbons), tetros (4), pentose (5), hexose (6), etc.

    It is monosaccharides that are covalently bonded together to make both disaccharides and oligosaccharides, making them the original structure for carbohydrates. Examples of monosaccharides include glucose, fructose, and galactose. These monosaccharides are most commonly seen in fruits, vegetables, honey, and dairy products.

    Disaccharides are sugars that are made up of two monosaccharides that are covalently bonded together. Examples and uses of disaccharides include lactose (milk sugar), maltose (involved with starch), cellobiose (product of cellulose), maltose (beer), and the most important disaccharide, sucrose. Sucrose is found most commonly in photosynthetic plants, where it is an easily transported energy source. Sucrose is also found in sugar cane and beet sugars.

    The most complicated carbohydrates are oligosaccharides, otherwise known as polysaccharides. These are carbohydrates that are composed of numerous covalently bonded monosaccharides. All common polysaccharides contain glucose as the main monosaccharide unit. The two polysaccharides that are most commonly known are starch and cellulose.

    Starch is a storage polysaccharide found in plants and is made of amylose and amylopectin. Cellulose is a major component in the cell wall of a plant and consists of long linear chains of glucose.

    Carbohydrates are the building blocks to both simple and complex sugars that we use in our everyday lives. Without carbohydrates, the majority of the food that we eat would not exist.

    Biological macromolecules, including carbohydrates, are components essential to the world components that will continue to be studied and investigated to find further uses for them.