Les macromolécules sont des géants du monde atomique. Le préfixe « macro- » signifie « très grande échelle. »En effet, les macromolécules nainent d’autres molécules impliquées dans la chimie de la vie, comme le sel de table (NaCl) ou l’eau (H2O). Les macromolécules sont généralement composées d’au moins 1 000 atomes, avec des structures répétées de composants plus petits. Le processus de polymérisation relie les composants les plus petits (monomères). C’est l’étendue de la répétition qui conduit à la grande taille.

C’est la grande taille des macromolécules qui dicte leur importance dans les systèmes vivants. Ils sont à la base d’une vie cellulaire complexe. Les macromolécules ne sont pas intrinsèquement stables. Ils ne sont pas créés en l’absence de vie et ne peuvent pas persister longtemps en dehors des systèmes vivants.

Essentiellement, une macromolécule est une molécule unique constituée de nombreuses molécules de sous-unités liées de manière covalente. Un polymère est une molécule unique composée de monomères similaires. En physiologie, les quatre macromolécules principales sont:

1. acides nucléiques – constitués de sous-unités nucléotidiques liées par leur squelette phosphaté.protéines – constituées de sous-unités d’acides aminés liées entre le carbone et l’azote.
2. lipides – molécules généralement de grande taille composées de liaisons non polaires, ce qui les rend hydrophobes. Certains lipides contiennent des groupes polaires attachés de manière covalente, qui peuvent agir comme points de fixation pour plusieurs molécules lipidiques hydrophobes.
3. glucides – ont des groupes de sucre liés de manière covalente.

Jusqu’à présent, nous avons discuté des principaux éléments et types de liaisons qui sont importants dans le fonctionnement d’une cellule. Ensemble, ces éléments et ces liaisons définissent les propriétés principales des quatre classes de macromolécules qui composent une cellule: les glucides, les protéines, les lipides et les acides nucléiques. Dans ce module, nous allons explorer ces macromolécules.

Les glucides, les protéines et les acides nucléiques sont tous des exemples de polymères. Les polymères sont de très grosses molécules composées d’unités plus petites reliées par des liaisons covalentes utilisant un ensemble commun de réactions chimiques. Les protéines sont des polymères linéaires d’acides aminés tous reliés par des liaisons peptidiques. Les polysaccharides sont les glucides reliés par des liaisons glycosidiques dans des structures ramifiées parfois assez complexes. L’ADN et l’ARN sont des polymères d’acides nucléiques liés par des liaisons phosphodiester. Ce module comprend une discussion sur les structures de ces macromolécules organiques.

Glucides

Glucides

Les macromolécules les plus simples sont les glucides, également appelés saccharides. Le nom est descriptif du caractère de cette classe de molécules, car elles ont toutes la formule générale d’un carbone hydraté.

(C(H2O))n

Cela représente un rapport 2:1 des atomes d’hydrogène sur les atomes d’oxygène (comme dans l’eau) mais dans ce cas, ils sont attachés à un squelette carboné. les atomes constitutifs des glucides peuvent être configurés dans des configurations pratiquement infinies, de sorte que les molécules de glucides se présentent sous une multitude de formes et de tailles différentes.

Les monosaccharides sont les unités les plus basiques des glucides. Ce sont des sucres simples, y compris le glucose, le fructose et d’autres. Ils contiennent entre trois et sept atomes de carbone, ont un goût sucré et sont utilisés par le corps pour l’énergie.

Les polysaccharides sont de longs polymères de sucres monosaccharidiques qui sont liés de manière covalente. Les polysaccharides sont souvent utilisés pour stocker l’énergie du monosaccharide. Ceux-ci comprennent l’amidon (chez les plantes) et le glycogène (chez les humains et les animaux). Les polysaccharides peuvent également être utilisés pour la structure des plantes et d’autres organismes inférieurs. Par exemple, la cellulose est un gros polysaccharide que l’on trouve dans les parois cellulaires des plantes. Les gens ne peuvent pas digérer la cellulose en monosaccharides, mais c’est important dans notre alimentation comme « fourrage grossier » ou « fibres insolubles ». »Les glucides sont également des composants essentiels de l’épine dorsale de l’ADN, avec un monosaccharide dans chaque nucléotide. Avec 3 milliards de nucléotides d’ADN par cellule, c’est beaucoup de monosaccharides dans le corps.

Les polysaccharides peuvent être conjugués avec d’autres macromolécules. Par exemple, les glucides complexes peuvent être liés à des protéines ou des lipides pour former des glycoprotéines et des glycolipides, respectivement. Des structures très différentes peuvent être fabriquées à partir de quelques monosaccharides disposés dans des motifs différents et avec des liaisons différentes. Cette flexibilité de structure peut donc être utilisée pour l’identification de types cellulaires individuels, car la structure de chaque type cellulaire est unique. Plus de la moitié des protéines du corps, dont nous parlerons plus loin dans ce module, présentent des glycosylations ou des modifications des glucides. L’extérieur des cellules est recouvert de glucides provenant des modifications des lipides qui composent la membrane; nous couvrirons les lipides dans le dernier chapitre de cette section.

Les glucides sont mieux connus comme molécules de stockage d’énergie. Leur fonction principale est une source d’énergie. Les cellules convertissent facilement les glucides en énergie utilisable. Vous vous souviendrez que les molécules sont une collection d’atomes reliés par des liaisons covalentes. En général, les liaisons covalentes simples peuvent être représentées comme ayant environ 100 kcal / mol d’énergie associée à la force qui maintient les deux atomes ensemble. Le sucre de table, ou saccharose, est l’hydrate de carbone le plus connu. L’hydrate de carbone le plus commun dans la nature est le glucose, qui a la formule générale

(C(H2O))6

et qui est une source d’énergie commune pour de nombreux organismes vivants. Si une mole de glucose est complètement métabolisée (« brûlée ») pour son énergie dans une cellule, elle a la réaction chimique suivante:

(C(H2O)) 6 + 6 O2 <> 6 CO2 + 6 H2O + 673 kcal (énergie)

Alors que la réaction globale représente un processus d’oxydation / réduction couplé , dans l’ensemble ce processus implique la rupture de cinq liaisons carbone-carbone par molécule de glucose, avec la libération de 673 kcal / mol d’énergie.

Cependant, le corps n’a pas besoin de glucides alimentaires pour l’énergie. Les protéines et les graisses peuvent répondre aux besoins du corps, et le corps peut convertir des molécules en glucides nécessaires à l’énergie et à d’autres fonctions cellulaires. Mais les glucides nécessitent un traitement minimal pour être utilisés comme énergie. Par exemple, une simple réaction enzymatique convertit le saccharose en sucre dans le sang, qui peut être utilisé directement comme source d’énergie cellulaire. L’astuce pour la cellule est de convertir les 673 kcal / mol d’énergie en une forme utile afin qu’elle puisse fonctionner pour la cellule ou l’organisme. Le devenir métabolique de l’hydrate de carbone sera discuté plus tard dans le cours.

Une deuxième fonction des glucides est la structure. Par exemple, la cellulose est un polymère linéaire de glucose qui interagit avec d’autres polymères de cellulose pour former des fibres qui interagissent pour former la structure de base de la paroi cellulaire des plantes. Ces polymères cellulosiques sont non digestibles et constituent le fourrage brut.

Une troisième fonction des glucides est la reconnaissance et la signalisation des cellules. Cela se produit généralement avec les glucides conjugués à d’autres molécules, telles que celles présentes dans les glycoprotéines (glucides liés aux protéines) et les glycolipides (glucides liés aux lipides). Comme un très grand nombre de structures peuvent être fabriquées à partir de quelques monosaccharides (glucides simples), un très grand nombre de structures différentes peuvent également être fabriquées à partir de quelques glucides simples, comme on le verra plus loin. Ce grand nombre de structures différentes peut donc être utilisé pour l’identification de types cellulaires individuels.

Des modifications glucidiques (appelées glycosylations) sont présentes sur les membranes lipidiques et les protéines pour une fonction et une reconnaissance spécialisées. Des formations uniques de glucides permettent encore plus de spécificité à une protéine, au-delà du code des acides aminés. La membrane externe de la cellule est parsemée de chaînes glucidiques, qui diffèrent selon le type de cellule. Ces glycosylations glucidiques fournissent une « signature » de la cellule et peuvent également servir de signal. Ainsi, les glycosylations sont importantes dans la réponse immunitaire et la communication générale de cellule à cellule.

Protéines

Après les acides nucléiques, les protéines sont les macromolécules les plus importantes. Structurellement, les protéines sont les macromolécules les plus complexes. Une protéine est une molécule linéaire composée d’acides aminés. Vingt acides aminés différents se trouvent dans les protéines. La séquence des acides aminés d’une protéine est déterminée par la séquence des bases dans l’ADN codant pour la synthèse de cette protéine. Une seule molécule protéique peut être composée de centaines d’acides aminés. Cette séquence d’acides aminés est la structure primaire d’une protéine. La taille, la forme et les propriétés réactives de la protéine dépendent du nombre, du type et de la séquence des acides aminés. La chaîne d’acides aminés peut rester dans sa structure linéaire primaire, mais souvent elle se replie et sur elle-même pour former une forme. Cette structure secondaire se forme à partir d’interactions localisées (liaison hydrogène) de chaînes latérales d’acides aminés. Ceux-ci incluent les structures en hélice alpha et en feuille bêta. L’hélice alpha est dominante dans l’hémoglobine, ce qui facilite le transport de l’oxygène dans le sang. Les structures secondaires sont intégrées avec des torsions et des plis dans une protéine tridimensionnelle. Cette forme fonctionnelle s’appelle la structure tertiaire de la protéine. Un niveau supplémentaire d’organisation se produit lorsque plusieurs protéines distinctes se combinent pour former un complexe protéique appelé structure quaternaire.

Les protéines remplissent de nombreuses fonctions essentielles au sein de la cellule. De nombreuses protéines servent d’enzymes, qui contrôlent le taux de réactions chimiques, et donc la réactivité des cellules aux stimuli externes. Une enzyme peut accélérer une réaction qui prendrait des millions d’années dans des conditions normales et se produirait en quelques millisecondes seulement. Les enzymes sont importantes dans la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les processus digestifs sont également largement facilités par les enzymes, qui décomposent des molécules qui seraient autrement trop grosses pour être absorbées par les intestins. Les protéines enzymatiques jouent également un rôle dans les contractions musculaires.

D’autres protéines sont importantes dans la signalisation cellulaire et la reconnaissance cellulaire. Les protéines réceptrices reconnaissent les substances comme étrangères et déclenchent une réponse immunitaire. Grâce à la signalisation cellulaire, les protéines interviennent dans la croissance et la différenciation des cellules au cours du développement. Plusieurs protéines importantes fournissent un support mécanique à la cellule, un échafaudage qui aide la cellule à maintenir sa forme. D’autres protéines constituent une grande partie du tissu conjonctif et des structures du corps telles que les cheveux et les ongles.

Pour la production de protéines dans les cellules, le corps a besoin d’acides aminés que nous ingérons. Cela semble un peu inefficace, mais nous mangeons des protéines, les décomposons en acides aminés, distribuons les acides aminés à l’intérieur du corps, puis construisons de nouvelles protéines. Nos cellules peuvent synthétiser certains acides aminés à partir d’acides aminés similaires, mais les acides aminés essentiels doivent être obtenus à partir de l’alimentation, car ils ne peuvent pas être synthétisés. Les carences en protéines dans l’alimentation entraînent des maladies de malnutrition telles que le kwashiorkor, qui est courant dans les pays en développement. En cas de kwashiorkor, une carence en protéines provoque un œdème (gonflement) qui conduit à un abdomen distendu. Les protéines sont finalement métabolisées en ammoniac et en urée, qui sont excrétés par les reins. Une maladie rénale peut entraîner l’accumulation de ces déchets dans le corps, ce qui rend quelqu’un très malade et entraîne finalement la mort. Un régime pauvre en protéines peut aider ceux dont les reins ont un faible niveau de fonction.

Contrairement aux acides nucléiques, qui doivent rester inchangés dans le corps pendant toute la vie de l’organisme, les protéines sont censées être transitoires — elles sont produites, remplissent leurs fonctions et sont ensuite recyclées. Les protéines sont également facilement dénaturées (déploiement des structures secondaires et tertiaires) par des températures extrêmes ou un pH. Lorsque vous faites bouillir un œuf, le jaune et le blanc se raidissent et changent de couleur. Lorsque vous faites cuire de la viande, la chair change de couleur et devient ferme. Ces changements surviennent parce que les protéines constitutives se dénaturent, modifiant les propriétés des tissus.