Chapitre 4 : Substances fondamentales des êtres vivants 4.1. Les lipides (corps gras) Les lipides forment une catégorie assez hétérogène de produits fabriqués et utilisés par les êtres vivants. Leur dénominateur commun est qu ils sont insolubles dans l eau et ont en général, dans leur molécule, une chaîne aliphatique ( CH 2 ) d au moins huit atomes de carbone. Triglycérides Un triglycéride est un produit de l estérification de la molécule de glycérine avec 3 molécules d acide. Dans les graisses et les huiles, ces acides sont des acides gras (acides carboxyliques linéaires). Ces derniers peuvent être soit identiques soit différents. Les acides gras les plus couramment rencontrés sont : l acide stéarique C 18 H 36 O 2 : (acide, présent dans la graisse de certains animaux domestiques) l acide palmitique C 16 H 32 O 2 : (acide, présent dans presque toutes les graisses naturelles) l acide oléique C 18 H 34 O 2 :
l acide linoléique C 18 H 32 O 2 et l acide linolénique C 18 H 30 O 2. On qualifie les deux premiers d acides gras saturés, car ils n ont aucune double liaison entre deux atomes de carbone : on ne peut donc pas leur additionner d hydrogène. Ces acides gras se trouvent essentiellement dans les triglycérides des graisses animales. L acide oléique est un acide gras monoinsaturé, car il possède une double liaison entre deux atomes de carbone. Les acides linoléique et linolénique sont des acides gras polyinsaturés du fait de la présence de plus d une double liaison dans la chaîne hydrocarbonée. Ces acides gras se trouvent en grandes quantités dans les triglycérides des huiles végétales. Les acides gras naturels ont tous un nombre pair d atomes de carbone (la cellule en fait la synthèse en ajoutant les atomes de carbone 2 par 2) et ont en général la configuration cis sur chacune de leurs doubles liaisons. Les huiles sont liquides à température ambiante car la présence de doubles liaisons entraîne des irrégularités dans les chaînes, obligeant ainsi les molécules de triglycérides à s éloigner quelque peu les unes des autres, en diminuant de ce fait les forces d attraction intermoléculaires (forces.). On procède fréquemment à l hydrogénation des huiles pour les rendre solides (fabrication de...). Autres D autres lipides que les triglycérides jouent un rôle important chez les êtres vivants. Les phospholipides diffèrent des triglycérides par le fait qu ils possèdent une tête hautement polaire en plus de leur queue hydrophobe.
Le groupe des stéroïdes joue un rôle clé chez les animaux et les plantes. Les stéroïdes sont des constituants important de la membrane cellulaire, car ils assurent, par leur structure «en plaque» une certaine rigidité aux membranes. Certains stéroïdes jouent également un rôle d hormone (notamment sexuelle) dans l organisme, telles la testostérone (hormone mâle), l estradiol, la progestérone (hormone femelle). L ecdysone, hormone qui induit la mue chez les insectes, est également une hormone stéroïde. Le cholestérol est un stéroïde important. Il est notamment à la base de la biosynthèse de plusieurs hormones et de la vitamine D. Le foie humain fabrique lui-même les trois quarts du cholestérol nécessaire ; le reste est puisé dans la nourriture. Bien qu indispensable, le cholestérol ne doit pas être en excès dans l organisme, car il peut alors favoriser l athérosclérose (obstruction progressive des artères) et provoquer ainsi des maladies cardiovasculaires souvent mortelles (infarctus du myocarde par exemple). Solubilité Les lipides sont presque tous insolubles dans l eau, bien que certains puissent parfois participer à des ponts hydrogènes, mais de façon très limitée. Le cholestérol, par exemple, possède un site actif et deux sites passifs sur son groupe OH. Cela ne suffit cependant pas à le rendre hydrosoluble, car la «zone OH» est minuscule par rapport au reste de la molécule. Les êtres vivants ont donc dû développer des stratégies sophistiquées pour transporter les lipides dans les tissus vivants composés en grande majorité d eau. Dans le cas du cholestérol, des protéines assurent son transport dans le sang, un peu comme des camions véhiculant des marchandises le long d un axe routier. Des protéines LDL (Low Density Lipoproteins) se chargent de le convoyer du foie vers les cellules et des protéines HDL (.) ramènent le cholestérol excédentaire vers le foie pour le métaboliser. Alimentation et santé Les lipides sont indispensables à l organisme. Ils lui procurent des réserves d énergie sous forme très compacte (surtout les triglycérides). En effet, un corps gras fournit en moyenne 40 kj par gramme (en comparaison, 1 g de sucre de raisin fournit 16 kj). Le corps utilise cependant d abord les sucres pour obtenir l énergie dont il a besoin car ceux-ci sont plus rapidement mobilisables. Pour les êtres vivants, les lipides représentent donc surtout un moyen de stocker l énergie. Certains lipides doivent également impérativement être présents dans les aliments, car le corps en a besoin et ne peut les fabriquer lui-même. Ces lipides sont alors qualifiés d essentiels (= indispensables). Ainsi par exemple, la cellule synthétise très mal les acides gras monoinsaturés, et ne synthétise pas du tout les polyinsaturés. La «vitamine F» composée d acides gras polyinsaturés (essentiellement d acide linoléique) et qui augmente la résistance de la peau face aux agressions extérieures sera trouvée dans les huiles de tournesol et d olive. Dans les pays industrialisés, les gens ont généralement un apport trop important de lipides dans leur alimentation, ce qui induit des problèmes d obésité ou certains troubles métaboliques. Il est démontré qu il vaut mieux pour la santé consommer des triglycérides ayant une forte proportion d acides gras insaturés (huiles végétales) plutôt que des lipides contenant surtout des acides gras saturés (graisses animales). Le cholestérol pose lui aussi souvent problème car notre nourriture en contient souvent trop. On sait maintenant qu il y a une corrélation directe entre le taux de cholestérol sanguin et les risques d infarctus du myocarde.
4.2. Les protides Les protides représentent un groupe d énorme importance pour les êtres vivants : 1) ils constituent la charpente des cellules et des tissus 2) sous la forme d enzymes, ils catalysent les synthèses et les décompositions dans l organisme. On peut les définir comme un assemblage d acides aminés. Acides aminés Un acide aminé est une molécule possédant une fonction acide et une fonction amine. Lorsque la fonction amine est fixée sur l atome de carbone suivant immédiatement la fonction acide, on dit que l on a un acide α-aminé. Alors que des milliers d acides aminés différents peuvent être imaginés, la nature n utilise qu un stock d une vingtaine d acides aminés (tous α, et tous possédant la même chiralité!) pour servir de base à tous les protides. Pour respecter la notation de Fisher, les chimistes aiment écrire la fonction amine à gauche de la molécule et la fonction acide en haut. Les biologistes aiment écrire la fonction amine à gauche de la molécule et la fonction acide à droite. A l état solide ou en solution aqueuse, la molécule d acide aminé perd un proton de sa fonction acide et le fixe sur la paire libre de la fonction amine. Il se forme alors un amphion (à la fois cation et anion) : La présence d amphions permet à la substance d avoir une nature saline : elle est dure, cassante, et possède un point de fusion élevé. (Rappel : les liaisons ioniques sont solides!) En milieu acide (solution aqueuse riche en H 3 O + ), ou en milieu basique (solution aqueuse riche en ions OH, et pauvre en ions H 3 O + ), l amphion évolue vers les formes suivantes :
Peptides Les acides aminés naturels peuvent réagir ensemble et se fixer l un à l autre par une liaison peptidique : La chaîne d acides aminés peut s allonger encore de proche en proche pour former successivement un tripeptide, un tétrapeptide,..., un polypeptide. Le nombre de combinaisons possibles dans les peptides devient très vite gigantesque avec l allongement de la chaîne. Avec deux acides aminés différents (par exemple glycine et alanine), on peut déjà imaginer huit tripeptides différents : Les protéines Une protéine est constituée d une ou de plusieurs longues chaînes d acides aminés. Leur masse molaire peut varier de 10'000 g/mol à plus de 1'000'000 g/mol! Le nombre quasiment infini de structures différentes imaginables explique que chaque espèce animale ou végétale possède ses protéines spécifiques. Plus encore, chaque individu d une espèce donnée présente des protéines qui lui sont propres et que l on ne retrouve vraisemblablement nulle part ailleurs dans l univers. Pour décrire une protéine, pour comprendre son fonctionnement et éventuellement le modifier, il faut analyser sa structure. On distingue plusieurs degrés d organisation : Structure primaire : La structure primaire d une protéine est la séquence des acides aminée, liés par des lisiaons peptidiques. Dans l insuline par exemple, la structure primaire de la chaîne A est : gly-ile-val-glu-... Structure secondaire : La structure secondaire d une protéine est l arrangement spatial local des acides aminés. Il existe essentiellement deux types d arrangement : l hélice α et le feuillet plissé. Les protéines fibreuses adoptent généralement une structure secondaire en feuillet plissés. La β kératine (constituant de la peau, des ongles, des poils, des cheveux) et la fibroïne de la soie sont des protéines fibreuses. Les protéines globulaires adoptent une structure secondaire en hélice α. Les enzymes et l hémoglobine font partie de cette catégorie. La structure secondaire en hélice α est parfois interrompue par des pelotes statistiques (= zones dans lesquelles la régularité de l enroulement est perdue). Structure tertiaire : la structure tertiaire d une protéine désigne la structure tridimensionnelle du polypeptide entier. Structure quaternaire : De nombreuses protéines sont constituées de plusieurs chaînes polypeptidiques appelées sous-unités. L hémoglobine humaine par exemple compte 4 chaînes polypeptidiques : 2 nommées α (141 acides
aminés) et 2 nommées β (146 acides aminés). La structure quaternaire d une protéine désigne leur arrangement spatial. Certaines protéines possèdent, en plus des acides aminés, des constituants d une autre nature. Un exemple très connu est celui de l hémoglobine qui, dans chacune de ses chaînes d acides aminés (globine) possède un groupement hème constitué d un ion Fe 2+ entouré de cycles azotés. C est l hème (figure ci-contre) qui assure la fixation de l oxygène, nécessaire pour son transport par le sang vers les différents tissus. Cette fixation est réversible et dépend de la concentration d oxygène dans le milieu environnant. La molécule CO et le ion CN sont également capable de se fixer sur l hémoglobine. Le complexe résultant étant plus stable qu avec l oxygène, CO et CN sont toxiques. N N Fe 2+ N N HO O O OH La forme générale dans l espace joue un rôle de premier plan dans les propriétés des protéines. Les enzymes, par exemple, ne peuvent catalyser des réactions chimiques que lorsque leur configuration tridimensionnelle est intacte. Sous l effet de la chaleur ou de certains produits chimiques, les protéines voient leur structure modifiée, de façon souvent irréversible, entraînant des changements drastiques de leurs propriétés. On dit alors qu elles sont dénaturées. Lorsque nous avons de la fièvre, la température corporelle peut dépasser 40 C. Il y a alors danger que certaines protéines du cerveau soient dénaturées par la chaleur. Solubilité Grâce à leurs nombreuses possibilités d établir des ponts H, les acides aminés sont bien solubles dans l eau. Il en est de même pour les peptides, quoique le nombre de sites actifs et passifs soit moindre à cause des liaisons peptidiques. Quant aux protéines, leur solubilité dans l eau est très variable selon leur structure primaire (restes R des acides aminés hydrophiles ou non), secondaire ou tertiaire. Certaines protéines globulaires sont solubles dans l eau pure (albumines) et d autres dans des solutions salines neutres ou de ph voisin de 7 (globulines). Les protéines fibreuses sont, elles, pratiquement insolubles dans l eau. Alimentation et santé Les protéines que nous ingérons ne peuvent pas être utilisées telles quelles par notre organisme (nous sommes faits de protéines humaines, et non de protéines de porc ou de vache!). Au cours de la digestion, les chaînes sont hydrolysées, d abord en milieu acide dans l estomac sous l influence de la pepsine (un enzyme), puis en milieu basique dans l intestin grêle grâce à d autres enzymes (trypsine, chymotrypsine, etc.). Il ne reste finalement que les acides aminés isolés qui peuvent alors être distribués aux différentes cellules, leur permettant ainsi de synthétiser leurs propres protéines. Certains acides aminés sont dits essentiels, car notre organisme ne peut en effectuer la synthèse. Ils doivent impérativement être présents dans les protéines que nous consommons. Il s agit de la valine, de la leucine, de l isoleucine, de la thréonine, de la lysine, de la cystéine, de la méthionine, de la phénylalanine et du tryptophane. Pour qu un régime alimentaire humain soit équilibré, il faudrait consommer environ 100 grammes de protéines par jour. Dans notre société, nous privilégions trop souvent l apport des corps gras par rapport aux protéines.
Exercice : Voici une séquence d ARNm : G G A U G A A G U A U G C A U C A U G C U U A A G C U A G C A A U a) Quelle sera la séquence des acides aminés dans le polypeptide formé lors du décryptage de cet ARNm? b) Quel était la séquence d ADN initiale? c) Que se passerait-il si le premier uracile de la séquence était éliminé à la suite d une mutation génétique?
4.3. Les glucides Les glucides, ou., représentent notre combustible de base, grâce auquel les cellules sont capables de tirer de l énergie à partir de la nourriture. On les appelle parfois encore hydrates de carbone, car leur formule brute est souvent du type C m (H 2 O) n. Il existe 3 catégories principales de sucres : les monosaccharides, les oligosaccharides et les polysaccharides. Monosaccharides Ce sont les sucres les plus simples ; ils représentent en quelque sorte les unités de base du groupe des glucides. Les molécules sont le plus souvent sous forme cyclique, avec un atome d oxygène inséré entre des atomes de carbone. Les cycles ont généralement 6 atomes, parfois 5. On connaît des monosaccharides dont les molécules possèdent entre 3 et 8 atomes de carbone, mais les plus courants en ont 6 (hexoses), éventuellement 5 (pentoses). Les monosaccharides sont en fait des polyalcools (.). Comme exemple, prenons le glucose (sucre de raisin), dont les plantes font la synthèse grâce à l énergie solaire. Comme c est un hexose, sa formule brute est... H HO CH 2 OH H OH H O H OH OH H 4 6 Par convention, on numérote les CH 2 OH O 5 1 3 2 atomes de carbone à partir de la droite, en tournant dans le sens des aiguilles d une montre. Pour être exact, il existe deux sortes de glucose : la forme bêta représentée ci-dessus, et la forme alpha, qui ne diffère de la précédente que par la position du groupe OH sur le carbone n 1 : En permutant les H et les OH rattachés aux atomes de carbone 2, 3, 4 ou 5, on obtient d autres hexoses, comme par exemple le galactose qui vient du lait :
Certains hexoses, comme le fructose (tiré des fruits) forment des cycles formés de 5 atomes : Dans les monosaccharides, citons encore le ribose (c est un pentose), qui est un élément constitutif de l ADN. Exemples d oligosaccharides : les disaccharides Beaucoup d autres sucres naturels sont en fait des dimères dont les unités sont reliées l une à l autre par un atome d oxygène. La synthèse s effectue en laissant partir une molécule d eau (= élimination d eau). Le maltose (sucre de malt) est un disaccharide composé de deux unités de glucose : Le saccharose, extrait de la canne à sucre ou de betteraves sucrière, est le produit que nous utilisons habituellement pour sucrer nos aliments. C est un disaccharide composé d une unité glucose et d une unité fructose : Citons encore les lactose (tiré du lait), dont la molécule est formée d une unité galactose et d une unité glucose : Lorsqu un groupe comprend un groupe hémiacétal, il est capable de réduire (dans certaines conditions) des ions Cu 2+ en ions Cu +. On dit alors que ce sucre est réducteur : Le glucose est donc un sucre réducteur, ainsi que. Le, par contre, n est pas réducteur car il n y a pas de groupe hémiacétal dans la molécule.
Polysaccharides Lorsqu un organisme stocke des sucres pour en faire des réserves énergétiques, il doit les polymériser pour éviter une trop forte augmentation de la pression osmotique dans les cellules. Les plantes fabriquent ainsi de l amidon, polysaccharide constitué de longues chaînes d unités glucose (forme alpha). Un des deux types d amidon est extrêmement ramifié : Les animaux, eux, stockent leurs sucres sous forme de glycogène dont les molécules ressemblent à celles de l amidon (plus ramifié et plus compact). Le glycogène se trouve dans le foie et les muscles. Certains polysaccharides constituent des fibres qui peuvent être très résistantes. La cellulose en est l exemple le plus significatif. Les molécules de cellulose ont également pour base des unités de glucose, mais de forme bêta cette fois-ci (et contrairement à l amidon donc). Les liaisons ainsi engendrées produisent des molécules linéaires, sans ramifications, insolubles dans l eau : La cellulose est un constituant de base du règne végétal. Elle fait partie intégrante de leur paroi cellulaire et représente le 50% de la masse du bois. Solubilité Grâce à leurs nombreux groupes OH, les sucres sont bien solubles dans l eau, du moins les mono- et disaccharides. L amidon et le glycogène, de par leur structure spatiale, ne sont que partiellement hydrosolubles, alors que la cellulose ne l est pas du tout, ses molécules linéaires établissant entre elles des liens étroits (grande force de cohésion de type. ).
Alimentation et santé Le saccharose est de loin le plus sucré des trois disaccharides communs : Pouvoir édulcorant de certains sucres et des édulcorants non caloriques par rapport au saccharose Monelline Saccharine Aspartame Cyclamate de sodium Fructose Saccharose Glucose Maltose Lactose Les sucres fournissent à la cellule son carburant de base. Les plantes, par la photosynthèse, fabriquent du glucose puis le transforment en amidon. Lorsque nous consommons ce produit (pommes de terre, riz, bananes, pâtes, etc.), des enzymes (déjà présents dans la salive) hydrolysent les chaînes en unités de plus en plus courtes. Ce processus se termine dans l intestin grêle par la libération de molécules de glucose qui peuvent alors passer dans le circuit sanguin et atteindre ainsi toutes les cellules de l organisme. La teneur en glucose du sang doit être la plus constante possible ; c est pourquoi notre corps récupère les excédents pour les polymériser dans le foie et les muscles sous forme de glycogène. Cet équilibre délicat est assuré par des hormones hypoglycémiantes (insuline) et hyperglycémiantes (adrénaline, glucagon). Lorsque nous consommons du sucre de raisin, notre organisme peut l utiliser de suite (sucre rapide), tandis que si nous mangeons des pâtes (sucres lents), il nous faudra plusieurs heures pour que nous puissions profiter de toute l énergie mise ainsi à notre disposition. En cas de suralimentation glucidique, l organisme convertit alors l excédent en lipides, qui viennent se stocker dans les cellules adipeuses. Ainsi, l obésité provient aussi bien de la surconsommation de glucides (surtout rapides) que de lipides. En faisant bouger nos muscles, prenons conscience que l énergie que nous utilisons a été stockée dans les liaisons du glucose par une plante, et cela grâce au soleil. Nous fonctionnons donc bel et bien à l énergie solaire. La cellulose ne peut être digérée enzymatiquement ni utilisée par la plupart des mammifères, en raison de l absence d enzymes capables d hydrolyser les liaisons β existant entre les unités de glucose. Cependant les résidus de cellulose non digérés des aliments végétaux fournissent un lest (fibres) et sont nécessaires à une motricité convenable de l intestin. Petite question : avez-vous déjà remarqué que les gâteaux pour apéritifs deviennent de plus en plus sucrés lorsque nous les mâchons? Pourquoi est-ce le cas?