La composition chimique d'une cellule
Un tissu vivant et un morceau de terre contiennent les mêmes sortes d'éléments (carbone, hydrogène, oxygène, azote…), mais le tissu vivant contient bien plus de carbone et d'hydrogène. Pour trouver les composés du carbone, on fait une analyse simple :
- Broyer le tissu vivant avec de l'acide trichloroacétique (Cl₃CCOOH) pour obtenir une bouillie.
- Filtrer à travers un tissu ou du coton.
- Le liquide qui passe = fraction soluble dans l'acide (filtrat) : petites molécules comme les acides aminés, les sucres, les nucléotides.
- Ce qui reste = fraction insoluble dans l'acide (rétentat) : protéines, acides nucléiques, polysaccharides et lipides.
Quand on brûle le tissu (incinération), tous les composés du carbone disparaissent ; les cendres contiennent des éléments minéraux (Ca, Mg) et des composés comme les sulfates et les phosphates.
Les micromolécules ont une masse moléculaire de 18 à 800 Da et se trouvent dans la fraction soluble. Les macromolécules (biomacromolécules) dépassent 10 000 Da : protéines, acides nucléiques et polysaccharides. Les lipides font moins de 800 Da, mais ils se retrouvent dans la fraction insoluble parce que, pendant le broyage, les membranes brisées forment des vésicules insolubles.
Cellule typique, en masse : eau 70–90 %, protéines 10–15 %, acides nucléiques 5–7 %, glucides 3 %, lipides 2 %, ions 1 %.
Les protéines : des chaînes d'acides aminés
Un acide aminé a un carbone central (le carbone α) qui porte quatre groupes : un hydrogène, un groupe amine (–NH₂), un groupe carboxyle (–COOH) et un groupe R variable. C'est le groupe R qui définit l'acide aminé : R = H donne la glycine, R = CH₃ l'alanine, R = CH₂OH la sérine. Selon leurs groupes amine et carboxyle, ils sont acides (acide glutamique), basiques (lysine) ou neutres (valine) ; certains sont aromatiques (tyrosine, phénylalanine, tryptophane). En solution, à un certain pH, l'acide aminé porte à la fois des charges + et – : c'est un zwitterion.
Les acides aminés s'unissent par des liaisons peptidiques (–CO–NH–), en perdant de l'eau, pour former des polypeptides. Une protéine est un hétéropolymère formé jusqu'à 20 sortes d'acides aminés. Les acides aminés essentiels doivent venir de l'alimentation ; les non essentiels sont fabriqués par le corps.
Quatre niveaux de structure
- Primaire : la séquence des acides aminés, de l'extrémité N-terminale (la première) à l'extrémité C-terminale (la dernière).
- Secondaire : des parties de la chaîne s'enroulent en hélice droite (ou forment des feuillets).
- Tertiaire : la chaîne se replie sur elle-même comme une pelote de laine – la forme 3D nécessaire pour travailler.
- Quaternaire : deux chaînes ou plus s'assemblent. L'hémoglobine humaine = 2 sous-unités α + 2 sous-unités β.
Rôles : le collagène (protéine la plus abondante chez les animaux) et la RuBisCO (protéine la plus abondante de la biosphère) ; la trypsine (enzyme), l'insuline (hormone), les anticorps (défense), GLUT-4 (fait entrer le glucose dans les cellules), les récepteurs (détectent les odeurs, les goûts, les hormones).
Les glucides (polysaccharides)
Les sucres sont faits de C, H et O. Le glucose et le ribose sont des monosaccharides. Deux sucres unis par une liaison glycosidique forment un disaccharide (saccharose, lactose, maltose). Les longues chaînes sont des polysaccharides, présents dans la fraction insoluble dans l'acide.
- Amidon – réserve alimentaire des plantes ; ses spirales (hélices) emprisonnent l'iode et donnent une couleur bleue.
- Cellulose – homopolymère de glucose dans la paroi des cellules végétales (coton, papier) ; pas d'hélices, donc pas de couleur bleue avec l'iode.
- Glycogène – réserve alimentaire des animaux, très ramifié.
- Inuline – un polymère de fructose.
- Chitine – polysaccharide complexe d'amino-sucres (comme la glucosamine), présent dans l'exosquelette des insectes et la paroi des champignons.
Dans une chaîne de polysaccharide, l'extrémité droite est l'extrémité réductrice et l'extrémité gauche l'extrémité non réductrice.
Les lipides
Les lipides ne se dissolvent pas dans l'eau. Un acide gras est un groupe carboxyle fixé à une chaîne de carbones (groupe R) ; l'acide palmitique a 16 carbones en comptant le carbone du carboxyle, l'acide arachidonique 20. Sans double liaison, il est saturé ; avec une ou plusieurs, il est insaturé. Le glycérol (propane-trihydroxy) peut porter jusqu'à trois acides gras : on obtient des mono-, di- et triglycérides (graisses et huiles – les huiles fondent à plus basse température, par exemple l'huile de sésame). Les phospholipides, comme la lécithine, ont un groupe phosphate et forment les membranes des cellules. Le tissu nerveux contient des lipides plus complexes. Les lipides ne sont pas vraiment des macromolécules ni des polymères.
Les acides nucléiques
Un nucléotide a trois parties : une base azotée, un sucre à cinq carbones (pentose) et un phosphate. Base + sucre seulement = nucléoside (adénosine, guanosine, thymidine, uridine, cytidine).
- Purines (deux cycles) : adénine, guanine. Pyrimidines (un cycle) : cytosine, thymine, uracile.
- ADN : sucre désoxyribose, bases A, G, C, T ; double hélice – A s'apparie avec T par 2 liaisons hydrogène, G avec C par 3.
- ARN : sucre ribose, bases A, G, C, U ; en général à un seul brin.
Dans un acide nucléique, le phosphate relie le carbone 3′ d'un sucre au carbone 5′ du suivant : c'est une liaison phosphodiester. Le modèle de Watson et Crick (ADN-B) : les deux brins sont antiparallèles, un tour complet compte 10 paires de bases, la montée par paire de bases est de 0.34 nm, et un tour mesure 3.4 nm.
Les enzymes : types, propriétés et action
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques – presque toutes sont des protéines ; quelques acides nucléiques agissent aussi comme des enzymes, ce sont les ribozymes. Elles accélèrent les réactions et ressortent inchangées.
Comment elles agissent
Chaque enzyme a un site actif, une poche où le substrat s'ajuste. E + S → ES (complexe enzyme–substrat) → EP → E + P. Il faut de l'énergie pour démarrer toute réaction – c'est l'énergie d'activation. L'enzyme l'abaisse, donc la réaction va beaucoup plus vite. Exemple : l'anhydrase carbonique transforme CO₂ + H₂O → H₂CO₃ environ 10 millions de fois plus vite (environ 600 000 molécules par seconde au lieu d'environ 200 par heure).
Facteurs qui influencent l'activité des enzymes
- Température et pH : chaque enzyme a un optimum. Le froid la rend inactive pour un temps ; une température élevée la dénature (détruit sa forme).
- Concentration en substrat : la vitesse augmente puis se stabilise à Vmax quand tous les sites actifs sont occupés. Km = concentration en substrat pour laquelle la vitesse vaut la moitié de Vmax.
- Inhibiteurs : un inhibiteur compétitif ressemble au substrat et bloque le site actif – par exemple le malonate bloque la succinate déshydrogénase. On utilise de tels inhibiteurs pour combattre des bactéries.
Six classes
- Oxydoréductases/déshydrogénases – déplacent H ou des électrons entre deux substrats.
- Transférases – déplacent un groupe (pas H) entre des substrats.
- Hydrolases – coupent des liaisons ester, éther, peptidique, glycosidique, C–C ou P–N en utilisant de l'eau.
- Lyases – enlèvent des groupes sans eau, en laissant des doubles liaisons.
- Isomérases – transforment un isomère en un autre.
- Ligases – unissent deux composés (par exemple liaisons C–O, C–S, C–N, P–O).
Les cofacteurs
La partie protéique est l'apoenzyme. Beaucoup d'enzymes ont besoin d'un auxiliaire non protéique : un groupement prosthétique (fortement lié, par exemple l'hème dans la peroxydase et la catalase), un coenzyme (faiblement lié, souvent issu de vitamines, par exemple NAD et NADP contiennent de la niacine) ou un ion métallique (par exemple le zinc pour la carboxypeptidase). Sans le cofacteur, l'enzyme ne marche plus.
À toi : observe une enzyme au travail
Mâche un petit morceau de pain nature ou de riz cuit pendant deux minutes sans l'avaler – il devient sucré, car l'amylase de la salive découpe l'amidon en sucre. Teste maintenant l'effet de la chaleur : mets une goutte d'iode sur une tranche de pomme de terre crue (bleu-noir = amidon). Puis coupe une pomme de terre crue et une pomme de terre cuite, ajoute une goutte d'eau oxygénée (de la pharmacie) sur chacune – la crue mousse parce que son enzyme catalase travaille ; la cuite mousse à peine parce que la chaleur a dénaturé l'enzyme. Compare avec l'étape 6 de la 3D.
Formules et définitions clés
- Fraction soluble dans l'acide : micromolécules (18–800 Da) ; fraction insoluble dans l'acide : protéines, acides nucléiques, polysaccharides (> 10,000 Da) + lipides
- Acide aminé : carbone α + H + –NH₂ + –COOH + groupe R
- Liaison peptidique : –CO–NH– ; liaison glycosidique (sucres) ; liaison ester (graisses) ; liaison phosphodiester (acides nucléiques)
- Structure des protéines : primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire
- Nucléotide = base + pentose + phosphate ; nucléoside = base + sucre
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Classes d'enzymes : oxydoréductases, transférases, hydrolases, lyases, isomérases, ligases
- Holoenzyme = apoenzyme + cofacteur (groupement prosthétique / coenzyme / ion métallique)
Exemples résolus
1. Du tissu de foie est broyé dans de l'acide trichloroacétique, puis filtré. Dans quelle fraction trouve-t-on (a) le glucose, (b) l'ADN, (c) les phospholipides ?
(a) Le glucose est petit → filtrat (fraction soluble dans l'acide). (b) L'ADN est une macromolécule → rétentat (insoluble dans l'acide). (c) Les phospholipides sont petits, mais les membranes brisées forment des vésicules, donc ils restent aussi dans la fraction insoluble dans l'acide.
2. Un segment d'ADN a 20 paires de bases. Combien de tours complets de la double hélice fait-il, et quelle est sa longueur ?
Un tour = 10 pb, donc 20 ÷ 10 = 2 tours. Longueur = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm.
3. Une molécule d'ADN contient 30 % d'adénine. Trouve le pourcentage de guanine.
A = T, donc T = 30 %. A + T = 60 %, donc G + C = 40 %. G = C, donc G = 20 %.
4. Nomme le niveau de structure des protéines : (a) l'ordre des acides aminés, (b) les 4 chaînes de l'hémoglobine, (c) l'hélice.
(a) Primaire, (b) quaternaire, (c) secondaire.
5. Une enzyme relie deux morceaux d'ADN en formant une liaison P–O. À quelle classe appartient-elle ?
Elle unit deux molécules par une nouvelle liaison → ligase (ADN ligase).
6. Une enzyme a une Vmax = 100 unités. Quelle est la vitesse quand la concentration en substrat est égale à Km ?
Km est la concentration en substrat pour laquelle la vitesse vaut la moitié de Vmax : 100 ÷ 2 = 50 unités.
Erreurs fréquentes
- Dire que les lipides sont des macromolécules. Ils font moins de 800 Da ; ils se retrouvent dans la fraction insoluble dans l'acide seulement parce que les membranes forment des vésicules.
- Croire que le froid dénature les enzymes. Le froid les rend seulement inactives pour un temps ; c'est la forte chaleur qui détruit la forme.
- Confondre nucléoside et nucléotide : le nucléoside n'a pas de phosphate ; nucléotide = nucléoside + phosphate.
- Dire que la cellulose devient bleue avec l'iode. Seul l'amidon le fait, car ses hélices piègent l'iode ; la cellulose n'a pas d'hélices.