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Introduction aux macromolécules

Types de grosses molécules biologiques. Monomères, polymères, synthèse par déshydratation et hydrolyse.

Introduction

Souvenez-vous de ce que vous avez mangé au déjeuner. Est-ce qu’un des aliments de votre repas portait à son dos une étiquette avec les "valeurs nutritionnelles" ? Si c’est le cas, et si vous avez examiné sa teneur en protéines, en glucides, ou en lipides, vous connaissez peut-être déjà plusieurs types de grandes molécules biologiques dont on va parler dans cet article. Si vous vous demandez ce qu’une chose aussi bizarre qu’une "grande molécule biologique" fait dans votre nourriture, la réponse est qu’elle vous apporte les éléments de base dont vous avez besoin pour maintenir votre corps en forme – parce que lui aussi est aussi composé de grandes molécules biologiques !
Tout comme on peut être considéré comme un ensemble d’atomes ou une poche d’eau qui marche et qui parle, on peut aussi envisager l'être humain comme un assemblage des quatre principaux types de grandes molécules biologiques : les glucides (tels que les sucres), les lipides (tels que les graisses), les protéines et les acides nucléiques (comme l’ADN et l’ARN). Cela ne veut pas dire que ce sont les seules molécules présentes dans notre corps, mais plutôt que les plus importantes de vos grandes molécules peuvent être réparties entre ces groupes. Ensemble, les quatre groupes de grandes molécules biologiques constituent la majorité du poids sec d’une cellule. (L’eau, une petite molécule, constitue la majorité du poids humide.)
Les grandes molécules biologiques réalisent des tâches très variées au sein d’un organisme. Certains glucides stockent du "carburant" pour les futurs besoins en énergie, et certains lipides sont des composants clés de la structure des membranes cellulaires. Les acides nucléiques emmagasinent et transmettent des informations génétiques, dont une grande partie fournit les instructions pour fabriquer des protéines. Les protéines, elles-mêmes, ont peut-être le plus large éventail de fonctions : certaines fournissent un soutien structurel, mais beaucoup sont semblables à de petites machines qui réalisent des travaux spécifiques dans la cellule, comme catalyser des réactions métaboliques ou recevoir et transmettre des signaux.
On examinera plus en détail les glucides, les lipides, les acides nucléiques et les protéines dans d’autres articles. Ici, on va se concentrer sur les principales réactions chimiques qui construisent et décomposent ces molécules.

Monomères et polymères

La plupart des grandes molécules biologiques sont des polymères : de longues chaînes formées par la répétition de sous-unités moléculaires, ou éléments de base, appelées monomères. Si on imagine un monomère comme une perle, alors un polymère est un collier composé d’une série de perles mises bout à bout.
Les glucides, les acides nucléiques et les protéines sont souvent présents dans la nature sous forme de longs polymères. En raison de leur nature polymérique et de leur grande (parfois énorme !) taille, ils sont classés comme macromolécules, à savoir de grandes (macro-) molécules composées de sous-unités plus petites jointes ensemble. En général, les lipides ne sont pas des polymères et ils sont plus petits que les trois autres ; ils ne sont donc pas considérés comme des macromolécules par certaines sources1,2. Cependant, beaucoup d’autres sources utilisent le terme "macromolécule" plus librement, comme un nom général pour les quatre types de grandes molécules biologiques3,4. C’est juste une différence d’appellation, alors ne vous prenez pas trop la tête avec ça. Rappelez-vous seulement que les lipides font partie des quatre principaux types de grandes molécules biologiques, mais qu’ils ne forment généralement pas de polymères.

Synthèse par déshydratation

Comment construit-on des polymères à partir de monomères ? Les grandes molécules biologiques s’assemblent souvent via des réactions de synthèse par déshydratation, au cours desquelles un monomère forme une liaison covalente avec un autre monomère (ou une chaîne croissante de monomères), libérant une molécule d’eau dans le processus. Vous pouvez vous souvenir de ce qui se passe grâce au nom de la réaction : déshydratation, pour la perte d’une molécule d’eau, et synthèse, pour la formation d’une nouvelle liaison.
Dans la réaction de synthèse par déshydratation ci-dessus, deux molécules de glucose (monomères de sucre) s'assemblent pour former une seule molécule de maltose (sucre). L'une des molécules de glucose perd un H, l'autre perd un groupe OH, et une molécule d'eau est libérée alors qu'une nouvelle liaison covalente se forme entre les deux molécules de glucose. À mesure que des monomères supplémentaires s'ajoutent par le même processus, la chaîne peut devenir de plus en plus longue et former un polymère.
Même si les polymères sont constitués de monomères qui se répètent, leur forme et leur composition varient beaucoup. Les glucides, les acides nucléiques et les protéines peuvent tous contenir plusieurs types de monomères, et leur composition et leur séquence sont importantes pour leur fonction. Par exemple, il y a quatre sortes de nucléotides (monomères) dans votre ADN, ainsi que vingt types d'acides aminés (monomères) communément trouvés dans les protéines de votre corps. Même une seule sorte de monomère peut former plusieurs polymères avec des propriétés différentes. Par exemple, l'amidon, le glycogène et la cellulose sont tous des glucides composés de monomères de glucose, mais ils présentent différents types de liaisons et de ramifications.

Hydrolyse

Comment les polymères redeviennent-ils des monomères (par exemple, lorsque le corps a besoin de recycler une molécule pour en construire une autre) ? Les polymères sont décomposés en monomères par des réactions d'hydrolyse, au cours desquelles une liaison est rompue, ou détruite, par l'ajout d'une molécule d'eau.
Lors d'une réaction d'hydrolyse, une molécule composée de plusieurs sous-unités est scindée en deux : l'une des nouvelles molécules gagne un atome d'hydrogène, tandis que l'autre acquiert un groupe hydroxyle (-OH), tous deux étant donnés par l'eau. C'est l'inverse d'une réaction de synthèse par déshydratation, et cela libère un monomère qui peut être utilisé pour fabriquer un nouveau polymère. Par exemple, dans la réaction d'hydrolyse ci-dessous, une molécule d'eau casse le maltose pour libérer deux monomères de glucose. Cette réaction est l'inverse de la réaction de synthèse par déshydratation décrite plus haut.
Les réactions de synthèse par déshydratation génèrent des molécules et ont généralement besoin d'énergie, alors que les réactions d'hydrolyse scindent des molécules et libèrent en général de l'énergie. Les glucides, les protéines et les acides nucléiques sont fabriqués et décomposés via ces types de réactions, bien que les monomères concernés soient à chaque fois différents. (Dans une cellule, les acides nucléiques ne polymérisent pas en réalité via synthèse par déshydratation ; on examine comment ils s'assemblent dans l'article sur les acides nucléiques. Et, les réactions de synthèse par déshydratation interviennent aussi dans l'assemblage de certains types de lipides, même si ceux-ci ne sont pas des polymères3).
Dans le corps, des enzymes catalysent, ou accélèrent, à la fois les réactions de synthèse par déshydratation et d'hydrolyse. Les enzymes impliquées dans la rupture des liaisons portent souvent des noms qui se terminent en -ase : par exemple, l'enzyme maltase casse le maltose, les lipases scindent les lipides, et les peptidases décomposent les protéines (aussi appelées polypeptides, comme on le verra dans l'article sur les protéines). Au fur et à mesure que la nourriture parcourt votre système digestif – en réalité, dès qu'elle entre en contact avec votre salive – elle est digérée par des enzymes de ce genre. Les enzymes cassent les grandes molécules biologiques, libérant les petits éléments de base qui peuvent facilement être absorbés et utilisés par le corps.

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