Biomolécule - Biomolecule

Une représentation de la structure 3D de la myoglobine , montrant des hélices alpha , représentées par des rubans. Cette protéine a été la première à avoir sa structure résolue par cristallographie aux rayons X par Max Perutz et Sir John Cowdery Kendrew en 1958, pour laquelle ils ont reçu un prix Nobel de chimie.

Une biomolécule ou molécule biologique est un terme vaguement utilisé pour désigner des molécules présentes dans des organismes qui sont essentielles à un ou plusieurs processus typiquement biologiques , tels que la division cellulaire , la morphogenèse ou le développement . Les biomolécules comprennent de grandes macromolécules (ou polyanions) telles que des protéines , des glucides , des lipides et des acides nucléiques , ainsi que de petites molécules telles que des métabolites primaires , des métabolites secondaires et des produits naturels . Un nom plus général pour cette classe de matériel est le matériel biologique. Les biomolécules sont un élément important des organismes vivants, ces biomolécules sont souvent endogènes , produites dans l'organisme mais les organismes ont généralement besoin de biomolécules exogènes , par exemple certains nutriments , pour survivre.

La biologie et ses sous-domaines de la biochimie et de la biologie moléculaire étudient les biomolécules et leurs réactions . La plupart des biomolécules sont des composés organiques et seuls quatre éléments - l' oxygène , le carbone , l' hydrogène et l' azote - représentent 96% de la masse du corps humain . Mais de nombreux autres éléments, tels que les différents biométaux , sont également présents en petites quantités.

L'uniformité des deux types spécifiques de molécules (les biomolécules) et de certaines voies métaboliques sont des caractéristiques invariantes parmi la grande diversité des formes de vie; ainsi ces biomolécules et voies métaboliques sont appelées "universaux biochimiques" ou "théorie de l'unité matérielle des êtres vivants", un concept unificateur en biologie, avec la théorie cellulaire et la théorie de l'évolution .

Types de biomolécules

Il existe une gamme diversifiée de biomolécules, notamment:

Biomonomères Bio-oligo Biopolymères Processus de polymérisation Nom de liaison covalente entre monomères
Acides aminés Oligopeptides Polypeptides , protéines ( hémoglobine ...) Polycondensation Liaison peptidique
Les monosaccharides Oligosaccharides Polysaccharides ( cellulose ...) Polycondensation Liaison glycosidique
Isoprène Les terpènes Polyterpènes: caoutchouc naturel cis-1,4-polyisoprène et trans-1,4-polyisoprène gutta-percha Polyaddition
Nucléotides Oligonucléotides Polynucléotides , acides nucléiques ( ADN , ARN ) Liaison phosphodiester

Nucléosides et nucléotides

Les nucléosides sont des molécules formées en attachant une nucléobase à un anneau ribose ou désoxyribose . Des exemples de ceux-ci comprennent la cytidine (C), l' uridine (U), l' adénosine (A), la guanosine (G) et la thymidine (T).

Les nucléosides peuvent être phosphorylés par des kinases spécifiques dans la cellule, produisant des nucléotides . L' ADN et l' ARN sont des polymères , constitués de longues molécules linéaires assemblées par des enzymes polymérases à partir d'unités structurelles répétées, ou monomères, de mononucléotides. L'ADN utilise les désoxynucléotides C, G, A et T, tandis que l'ARN utilise les ribonucléotides (qui ont un groupe hydroxyle supplémentaire (OH) sur le cycle pentose) C, G, A et U. Les bases modifiées sont assez courantes (telles que avec des groupes méthyle sur l'anneau de base), comme trouvé dans l' ARN ribosomal ou les ARN de transfert ou pour distinguer le nouveau des anciens brins d'ADN après réplication.

Chaque nucléotide est composé d'une base azotée acyclique , d'un pentose et d'un à trois groupes phosphate . Ils contiennent du carbone, de l'azote, de l'oxygène, de l'hydrogène et du phosphore. Ils servent de sources d'énergie chimique ( adénosine triphosphate et guanosine triphosphate ), participent à la signalisation cellulaire ( guanosine monophosphate cyclique et adénosine monophosphate cyclique ) et sont incorporés dans d'importants cofacteurs de réactions enzymatiques ( coenzyme A , flavine adénine dinucléotide , flavine mononucléotide , et phosphate de nicotinamide adénine dinucléotide ).

Structure de l'ADN et de l'ARN

La structure de l'ADN est dominée par la double hélice bien connue formée par l' appariement de bases Watson-Crick de C avec G et A avec T. Ceci est connu sous le nom d' ADN de forme B , et est très majoritairement l'état de l'ADN le plus favorable et le plus commun; son appariement de bases hautement spécifique et stable est la base d'un stockage fiable de l'information génétique. L'ADN peut parfois se présenter sous forme de monocaténaire (nécessitant souvent d'être stabilisé par des protéines de liaison monocaténaire) ou sous forme d' hélices de forme A ou Z , et parfois dans des structures 3D plus complexes telles que le croisement aux jonctions Holliday pendant la réplication de l'ADN.

Image 3D stéréo d'un ribozyme d'intron du groupe I (fichier PDB 1Y0Q); les lignes grises montrent les paires de bases; les flèches du ruban montrent les régions à double hélice, bleues à rouges de l'extrémité 5 'à 3'; le ruban blanc est un produit ARN.

L'ARN, en revanche, forme des structures tertiaires 3D grandes et complexes rappelant les protéines, ainsi que les brins simples lâches avec des régions localement repliées qui constituent des molécules d' ARN messager . Ces structures d'ARN contiennent de nombreux tronçons de double hélice de forme A, connectés en arrangements 3D définis par des boucles, des renflements et des jonctions simple brin. Des exemples sont l'ARNt, les ribosomes, les ribozymes et les riboswitches . Ces structures complexes sont facilitées par le fait que le squelette ARN a moins de flexibilité locale que l'ADN mais un grand ensemble de conformations distinctes, apparemment à cause des interactions positives et négatives de l'OH supplémentaire sur le ribose. Les molécules d'ARN structurées peuvent faire une liaison hautement spécifique d'autres molécules et peuvent elles-mêmes être reconnues spécifiquement; en outre, ils peuvent effectuer une catalyse enzymatique (quand ils sont connus sous le nom de " ribozymes ", comme découvert initialement par Tom Cech et ses collègues).

Les saccharides

Les monosaccharides sont la forme la plus simple de glucides avec un seul sucre simple. Ils contiennent essentiellement un groupe aldéhyde ou cétone dans leur structure. La présence d'un groupe aldéhyde dans un monosaccharide est indiquée par le préfixe aldo- . De même, un groupe cétone est désigné par le préfixe céto- . Des exemples de monosaccharides sont les hexoses , le glucose , le fructose , les trioses , les tétroses , les heptoses , le galactose , les pentoses , le ribose et le désoxyribose. Le fructose et le glucose consommés ont des taux de vidange gastrique différents, sont absorbés de manière différentielle et ont des destins métaboliques différents, offrant de multiples possibilités pour 2 saccharides différents d'affecter différemment la prise alimentaire. La plupart des saccharides fournissent finalement du carburant pour la respiration cellulaire.

Les disaccharides se forment lorsque deux monosaccharides, ou deux sucres simples simples, forment une liaison avec élimination de l'eau. Ils peuvent être hydrolysés pour donner leurs éléments constitutifs de la saccharine en les faisant bouillir avec de l'acide dilué ou en les faisant réagir avec des enzymes appropriées. Des exemples de disaccharides comprennent le saccharose , le maltose et le lactose .

Les polysaccharides sont des monosaccharides polymérisés ou des glucides complexes. Ils ont plusieurs sucres simples. Des exemples sont l' amidon , la cellulose et le glycogène . Ils sont généralement volumineux et ont souvent une connectivité ramifiée complexe. En raison de leur taille, les polysaccharides ne sont pas solubles dans l'eau, mais leurs nombreux groupes hydroxy s'hydratent individuellement lorsqu'ils sont exposés à l'eau, et certains polysaccharides forment d'épaisses dispersions colloïdales lorsqu'ils sont chauffés dans l'eau. Les polysaccharides plus courts, avec 3 à 10 monomères, sont appelés oligosaccharides . Un capteur d'impression moléculaire à déplacement d'indicateur fluorescent a été développé pour la discrimination des saccharides. Il a réussi à discriminer trois marques de boissons au jus d'orange. Le changement d'intensité de fluorescence des films de détection résultants est directement lié à la concentration en saccharide.

Lignine

La lignine est une macromolécule polyphénolique complexe composée principalement de liaisons bêta-O4-aryle. Après la cellulose, la lignine est le deuxième biopolymère le plus abondant et l'un des principaux composants structurels de la plupart des plantes. Il contient des sous-unités dérivées de l' alcool p -coumarylique , de l'alcool coniférylique et de l'alcool sinapylique et est inhabituel parmi les biomolécules en ce qu'il est racémique . L'absence d'activité optique est due à la polymérisation de la lignine qui se produit via des réactions de couplage radicalaire dans lesquelles il n'y a aucune préférence pour l'une ou l'autre configuration au niveau d'un centre chiral .

Lipide

Les lipides (oléagineux) sont principalement des esters d' acides gras et sont les éléments de base des membranes biologiques . Un autre rôle biologique est le stockage d'énergie (par exemple, les triglycérides ). La plupart des lipides sont constitués d'une tête polaire ou hydrophile (généralement du glycérol) et d'une à trois queues d'acide gras non polaires ou hydrophobes , et par conséquent, ils sont amphiphiles . Les acides gras sont constitués de chaînes non ramifiées d'atomes de carbone qui sont reliées par des liaisons simples seules ( acides gras saturés) ou par des liaisons simples et doubles ( acides gras insaturés ). Les chaînes sont généralement longues de 14 à 24 groupes de carbone, mais il s'agit toujours d'un nombre pair.

Pour les lipides présents dans les membranes biologiques, la tête hydrophile appartient à l'une des trois classes suivantes:

D'autres lipides comprennent les prostaglandines et les leucotriènes qui sont tous deux des unités d'acyle gras à 20 atomes de carbone synthétisées à partir d' acide arachidonique . Ils sont également connus sous le nom d'acides gras

Acides aminés

Les acides aminés contiennent à la fois des groupes fonctionnels acide aminé et acide carboxylique . (En biochimie , le terme acide aminé est utilisé pour désigner les acides aminés dans lesquels les fonctionnalités amino et carboxylate sont liées au même carbone, plus la proline qui n'est pas réellement un acide aminé).

Des acides aminés modifiés sont parfois observés dans les protéines; c'est généralement le résultat d'une modification enzymatique après traduction ( synthèse protéique ). Par exemple, la phosphorylation de la sérine par les kinases et la déphosphorylation par les phosphatases est un mécanisme de contrôle important dans le cycle cellulaire . Seuls deux acides aminés autres que les vingt standards sont connus pour être incorporés dans les protéines lors de la traduction, chez certains organismes:

Outre ceux utilisés dans la synthèse des protéines , d'autres acides aminés biologiquement importants comprennent la carnitine (utilisée dans le transport des lipides dans une cellule), l' ornithine , le GABA et la taurine .

Structure protéique

La série particulière d'acides aminés qui forment une protéine est connue sous le nom de structure primaire de cette protéine . Cette séquence est déterminée par la constitution génétique de l'individu. Il spécifie l'ordre des groupes de chaînes latérales le long du «squelette» polypeptidique linéaire.

Les protéines ont deux types d'éléments de structure locale bien classés et fréquents définis par un modèle particulier de liaisons hydrogène le long du squelette: l'hélice alpha et la feuille bêta . Leur nombre et leur disposition s'appellent la structure secondaire de la protéine. Les hélices alpha sont des spirales régulières stabilisées par des liaisons hydrogène entre le groupe CO du squelette ( carbonyle ) d'un résidu d'acide aminé et le groupe NH du squelette ( amide ) du résidu i + 4. La spirale a environ 3,6 acides aminés par tour, et les chaînes latérales d'acides aminés dépassent du cylindre de l'hélice. Les feuilles plissées bêta sont formées par des liaisons hydrogène de squelette entre des brins bêta individuels dont chacun est dans une conformation "étendue" ou totalement étirée. Les brins peuvent être parallèles ou antiparallèles les uns aux autres, et la direction de la chaîne latérale alterne au-dessus et au-dessous de la feuille. L'hémoglobine ne contient que des hélices, la soie naturelle est formée de feuilles plissées bêta et de nombreuses enzymes ont un motif d'alternance d'hélices et de brins bêta. Les éléments de la structure secondaire sont reliés par des régions "en boucle" ou "bobine" de conformation non répétitive, qui sont parfois assez mobiles ou désordonnées mais adoptent généralement un agencement stable bien défini.

La structure tridimensionnelle globale et compacte d'une protéine est appelée sa structure tertiaire ou son «repli». Il est formé en tant que résultat de diverses forces d' attraction telles que des liaisons hydrogène , des ponts disulfure , des interactions hydrophobes , hydrophiles interactions de van der Waals forcer etc.

Lorsque deux chaînes polypeptidiques ou plus (de séquence identique ou différente) se regroupent pour former une protéine, une structure quaternaire de protéine est formée. La structure quaternaire est un attribut de protéines polymères (chaînes de même séquence) ou hétéromères (chaînes de séquences différentes) comme l' hémoglobine , qui se compose de deux chaînes polypeptidiques "alpha" et "bêta".

Apoenzymes

Une apoenzyme (ou, généralement, une apoprotéine) est la protéine sans aucun cofacteur, substrat ou inhibiteur à petite molécule lié. Il est souvent important en tant que forme inactive de stockage, de transport ou de sécrétion d'une protéine. Ceci est nécessaire, par exemple, pour protéger la cellule sécrétoire de l'activité de cette protéine. Les apoenzymes deviennent des enzymes actives lors de l'ajout d'un cofacteur . Les cofacteurs peuvent être des composés inorganiques (par exemple, des ions métalliques et des agrégats fer-soufre ) ou des composés organiques (par exemple, [groupe Flavin | flavine] et hème ). Les cofacteurs organiques peuvent être soit des groupes prothétiques , qui sont étroitement liés à une enzyme, soit des coenzymes , qui sont libérées du site actif de l'enzyme pendant la réaction.

Isoenzymes

Les isoenzymes , ou isozymes, sont des formes multiples d'une enzyme, avec une séquence protéique légèrement différente et des fonctions étroitement similaires mais généralement pas identiques. Ce sont soit des produits de gènes différents , soit des produits différents d' épissage alternatif . Ils peuvent être produits dans différents organes ou types de cellules pour remplir la même fonction, ou plusieurs isoenzymes peuvent être produites dans le même type de cellule sous régulation différentielle pour répondre aux besoins de l'évolution du développement ou de l'environnement. La LDH ( lactate déshydrogénase ) possède plusieurs isozymes, tandis que l'hémoglobine fœtale est un exemple d'isoforme régulée au niveau du développement d'une protéine non enzymatique. Les niveaux relatifs d'isoenzymes dans le sang peuvent être utilisés pour diagnostiquer des problèmes dans l'organe de sécrétion.

Voir également

Les références

Liens externes

  • Society for Biomolecular Sciences Fournisseur d'un forum pour l'éducation et l'échange d'informations entre les professionnels de la découverte de médicaments et des disciplines connexes.