Les bases chimiques et fonctionnelles du vivant

Les fonctions des êtres vivants

• La nutrition : Échange de matière et d'énergie avec l'extérieur.
• La reproduction : Laisser une progéniture pour assurer la pérennité des espèces.
• La relation : Capacité de réagir à des stimuli.

Les bioéléments

Tous les êtres vivants possèdent un groupe restreint d'éléments chimiques :

• Éléments primaires (C, H, N, P, S) : Ils possèdent des propriétés essentielles pour construire les molécules de la vie et représentent jusqu'à 98 % du poids total.
• Éléments secondaires (Ca, K, Mg, Cl, I, Cu, Zn) : Certains ne parviennent qu'à une proportion de 0,1 % ; on les nomme oligo-éléments (comme le Fer, Fe), mais ils sont néanmoins indispensables.

Les biomolécules

Les biomolécules sont le résultat de la combinaison des atomes des bioéléments entre eux ou avec d'autres par des liaisons chimiques. Ces molécules, plus ou moins complexes, peuvent être :

• Organiques : Lipides, glucides, acides nucléiques, protéines.
• Inorganiques : Eau et sels minéraux.

Biomolécules inorganiques : L'eau et les sels

L'eau : Formée de 2 atomes d'Hydrogène (H) et 1 d'Oxygène (O). Elle possède une forte électronégativité, ce qui produit un excès de charge négative sur l'O et positive sur l'H. Bien que la molécule soit neutre, elle est polaire. Entre les molécules s'exerce une force d'attraction électrostatique qui les maintient ensemble par des ponts hydrogène. Elle a une très grande chaleur spécifique, est le principal solvant biologique, atteint une densité maximale à l'état liquide et peut être ionisée.

Les sels précipités : Ils ont une fonction structurelle et donnent de la consistance aux os ou aux coquilles.

Les sels dissous : Sous forme ionique, ils peuvent modifier le pH et ont des fonctions spécifiques de régulation. Ils contribuent à maintenir l'équilibre des liquides en raison des phénomènes osmotiques (diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable d'une région de faible concentration en soluté vers une concentration plus élevée).

La diffusion : Passage entre deux solutions de concentrations différentes vers une concentration intermédiaire. Le mouvement net des particules est directionnel, allant de la région de plus forte concentration vers la plus faible.

Les glucides

Ce sont des composés ternaires (C, H₂ et O₂). Ce sont des aldéhydes, des cétones ou des polyalcools.

• Monosaccharides : Formés par une seule molécule de 3 à 7 atomes de carbone. Ils peuvent être des aldoses (groupe aldéhyde) ou des cétoses (groupe cétone).
• Disaccharides : Groupes de deux molécules de monosaccharides liées avec libération d'une molécule d'H₂O. Ce sont des sucres simples. La liaison peut impliquer un carbone anomérique (portant le groupe fonctionnel) ou non.
• Polysaccharides : Résultat de la fixation de nombreuses molécules de monosaccharides.

Fonctions des glucides : Source d'énergie immédiate (sucre utilisé comme combustible), stockage des réserves énergétiques et composants structuraux.

Les lipides

Composés formés par H, C et S (ainsi que O). Ce sont des composés non polaires ou de faible polarité, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques. Selon la présence de liaisons simples ou doubles, ils peuvent être saturés ou insaturés.

• Les graisses : Formées par l'union d'un trialcool (la glycérine) et d'acides gras par des liaisons covalentes de type ester. Les graisses saturées (animales) sont solides à température ambiante, tandis que les insaturées (végétales) sont liquides.
• Les cires : Formées par un monoalcool à longue chaîne rejoint par une liaison ester à un acide gras ; elles servent de protection.
• Les phospholipides : Composés d'une molécule d'alcool avec une extrémité apolaire (hydrophobe) et une partie polaire (hydrophile). Ils s'associent en bicouches lipidiques constituant la base de la membrane cellulaire.
• Les stéroïdes : Formés de plusieurs anneaux hydrocarbonés, ils sont complètement insolubles dans l'eau (ex: cholestérol, vitamine D et hormones sexuelles).

Fonctions des lipides : Réserve d'énergie, revêtements de structure, protection, base des membranes cellulaires et régulation des processus vitaux.

Les protéines

Biomolécules organiques formées de C, H, O et N. Ce sont des polymères formés par l'union, via des liaisons peptidiques, de sous-unités appelées acides aminés. Ces derniers possèdent un groupe amine et un groupe carboxyle ; ce sont des substances amphotères car elles peuvent se comporter comme un acide ou une base.

Fonctions des protéines

• Structurelles : Comme les fibres de collagène qui apportent de la résistance.
• Transport : Comme l'hémoglobine qui transporte l'O₂ dans le sang ou les protéines transporteuses de cholestérol.
• Régulatrices : Comme l'hormone insuline qui régule la glycémie.
• Contractilité : Les filaments d'actine et de myosine dont l'interaction permet la contraction musculaire.
• Défense immunitaire : Les anticorps produits pour neutraliser les substances étrangères.
• Enzymatique : Catalyseurs bio-enzymatiques qui augmentent le taux des réactions métaboliques.
• Hydrolases : Groupes d'enzymes catalysant la rupture de liaisons covalentes par incorporation d'une molécule d'eau (hydrolyse).

Propriétés des enzymes : Spécificité (une enzyme n'agit que sur un substrat donné) et efficacité (une seule molécule peut transformer de nombreuses molécules de substrat par minute).

Les acides nucléiques

Biomolécules formées de C, H, N et P. Ce sont des polymères dont les subdivisions sont appelées nucléotides (polynucléotides), formés par des liaisons covalentes de type phosphodiester entre les groupes phosphate.

Les bases azotées

Composés organiques cycliques incluant deux ou plusieurs atomes d'azote :

• Bases pyrimidiques : Dérivées de la pyrimidine (un seul cycle) : cytosine, thymine et uracile.
• Bases puriques : Dérivées de la purine (deux cycles) : adénine et guanine.

Types d'acides nucléiques

L'ADN (Acide Désoxyribonucléique) : Les bases sont l'adénine, la cytosine, la thymine et la guanine. Situé dans le noyau (chromosomes), les mitochondries et les chloroplastes. Il possède une structure en double hélice avec deux brins antiparallèles. Les bases sont dirigées vers l'intérieur tandis que les pentoses et les phosphates forment le squelette externe. La structure est stabilisée par des liaisons hydrogène entre bases complémentaires (A-T et C-G).

Fonction de l'ADN : Support de l'information héréditaire codée dans la séquence de bases. Il permet la transmission de l'information lors de la division cellulaire. La cellule utilise cette information génétique pour élaborer ses propres protéines nécessaires à son fonctionnement.

L'ARN (Acide Ribonucléique) : Contient les bases A, C, U, G. Il est responsable de la copie des informations de l'ADN.

• ARN messager : Transporte l'information vers les ribosomes pour la synthèse des protéines.
• ARN ribosomique : Fait partie de la structure des ribosomes.
• ARN de transfert : Molécules qui transportent les acides aminés vers les ribosomes pour construire la chaîne protéique.