BIOCHIMIE

La biochimie est l'étude des réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, et notamment dans les cellules. La complexité des processus chimiques biologiques est contrôlée à travers la signalisation cellulaire et les transferts d'énergie au cours du métabolisme. Depuis un demi-siècle, la biochimie est parvenue à rendre compte d'un nombre considérable de processus biologiques, au point que pratiquement tous les domaines de la biologie, depuis la botanique jusqu'à la médecine, sont aujourd'hui engagés dans la recherche biochimique, voire biotechnologique. L'objectif principal de la biochimie de nos jours est de comprendre, en intégrant les données obtenues au niveau moléculaire, comment les biomolécules et leurs interactions génèrent les structures et les processus biologiques observés dans les cellules, ouvrant la voie à la compréhension des organismes dans leur ensemble. Dans ce cadre, la chimie supramoléculaire s'intéresse aux complexes moléculaires tels que les organites, qui constituent un niveau d'organisation de la matière vivante intermédiaire entre les molécules et les cellules.

La biochimie s'intéresse en particulier aux structures, aux fonctions et aux interactions des macromolécules biologiques telles que les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques, qui constituent les structures cellulaires et réalisent de nombreuses fonctions biologiques. La chimie cellulaire dépend également de molécules plus petites et d'ions. Ces derniers peuvent être inorganiques, par exemple l'ion hydronium H₃O⁺, l'hydroxyle OH^– ou des cations métalliques, ou bien organiques, comme les acides aminés qui constituent les protéines. Ces espèces chimiques sont essentiellement constituées d'hydrogène, de carbone, d'oxygène et d'azote ; les lipides et les acides nucléiques contiennent en plus du phosphore, tandis que les protéines contiennent du soufre et que les ions et certains cofacteurs sont constitués ou comprennent des oligoéléments tels que le fer, le cobalt, le cuivre, le zinc, le molybdène, l'iode, le brome et le sélénium.

Les résultats de la biochimie trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que la médecine, la diététique ou encore l'agriculture ; en médecine, les biochimistes étudient les causes des maladies et les traitements susceptibles de les soigner ; les nutritionnistes utilisent les résultats de la biochimie pour concevoir des régimes alimentaires sains tandis que la compréhension des mécanismes biochimiques permet de comprendre les effets des carences alimentaires ; appliquée à l'agronomie, la biochimie permet de concevoir des engrais adaptés aux différents types de cultures et de sols ainsi que d'optimiser le rendement des cultures, le stockage des récoltes et l'élimination des parasites.

On prête à Carl Neuberg l'introduction de ce terme en 1903 à partir de racines grecques, mais ce terme circulait déjà en Europe depuis la fin du XIX^e siècle. Avec la biologie moléculaire et la biologie cellulaire, la biochimie est l'une des disciplines qui étudient le fonctionnement du vivant. Elle recouvre elle-même plusieurs branches, telles que la bioénergétique, qui étudie les transferts d'énergie chimique au sein des êtres vivants, l'enzymologie, qui étudie les enzymes et les réactions qu'elles catalysent, ou encore la biologie structurale, qui s'intéresse aux relations entre les fonctions biochimiques des molécules et leur structure tridimensionnelle.

Représentation tridimensionnelle de la neuraminidase. Les coordonnées des atomes ont été obtenues par cristallographie aux rayons X sur un échantillon de protéine cristallisée.

(en) Relations schématiques entre la biochimie, la génétique et la biologie moléculaire.

Éléments chimiques du vivant

Environ 25 éléments chimiques sur les 92 éléments naturels de la classification périodique sont nécessaires à différentes formes de vie. Les éléments présents à l'état de traces dans le milieu naturel ne sont généralement pas utilisés par les êtres vivants, à l'exception notable de l'iode et du sélénium, tandis que certains éléments abondants tels que l'aluminium ou le titane ne sont pas nécessaires à la vie. La plupart des organismes utilisent les mêmes éléments chimiques, mais il existe quelques différences chez les plantes et les animaux. Par exemple, certaines algues océaniques utilisent le brome tandis que les plantes terrestres et les animaux ne semblent pas en avoir besoin. Tous les animaux ont besoin de sodium, mais certaines plantes s'en dispensent. En revanche, les plantes ont besoin de bore et de silicium pour se développer, tandis que les animaux ne semblent pas en faire usage.

La masse du corps humain est constituée approximativement à 65 % d'oxygène et à 98,5 % de seulement six éléments chimiques^1,2,3,4,5,6 : outre l'oxygène, ce sont environ 18 % de carbone, 10 % d'hydrogène, 3 % d'azote, 1,4 % de calcium et 1,1 % de phosphore. On compte également des quantités plus faibles de potassium, soufre, sodium, chlore, magnésium, fer, fluor, zinc, silicium et d'une douzaine d'autres éléments, qui ne sont pas tous nécessaires à la vie⁷.

Biomolécules

Les quatre classes principales de molécules biochimiques, également appelées biomolécules, sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. De nombreuses macromolécules biochimiques sont des polymères, constitués de l'assemblage d'unités plus petites appelées monomères ; ces monomères sont de petites molécules qu'il est possible de libérer du biopolymère par hydrolyse. Plusieurs de ces biomolécules sont susceptibles de former des complexes moléculaires de grande taille qui assurent souvent des fonctions biochimiques indispensables à la vie de la cellule.

Glucides

Les glucides sont constitués de monomères appelés oses. Le glucose, le fructose et le galactose sont des oses. Ces derniers sont classés en fonction du nombre de leurs atomes de carbone : trioses en C₃, tétroses en C₄, pentoses en C₅, hexoses en C₆, heptoses en C₇.

D'un point de vue chimique, on distingue d'une part les aldoses, qui sont composés d'une chaîne d'alcools secondaires ayant à une extrémité un groupe aldéhyde, et d'autre part les cétoses, qui possèdent une fonction cétone dans leur chaîne carbonée, les autres atomes de carbone étant porteurs d'une fonction alcool primaire ou secondaire selon la position.

Les oses jouent un rôle majeur dans le métabolisme énergétique de la cellule, mais aussi dans la biosynthèse des acides nucléiques, des cérébrosides et des glycoprotéines. Ils peuvent également intervenir dans certains mécanismes de détoxication, par exemple à travers la glycuroconjugaison.

Deux oses peuvent s'unir à travers une liaison osidique pour former un diholoside : le saccharose est un diholoside constitué d'un résidu de glucose d'un résidu de fructose unis par une liaison osidique (1→2) ; le lactose en est un autre constitué d'un résidu de lactose et d'un résidu de glucose unis par une liaison osidique β(1→4). Au-delà de deux résidus, on parle d'oligosaccharides jusqu'à dix résidus et de polysaccharides au-delà : sont des biopolymères constitués plusieurs résidus osidiques d'oses qui interviennent dans le stockage de l'énergie (amidon, glycogène) et dans la rigidité de certains organismes (cellulose, chitine).

Chez les bactéries, les glucides constituent selon les cas l'essentiel du peptidoglycane ou du lipopolysaccharide de la paroi bactérienne. Ils sont responsables des réactions immunitaires de l'organisme exposé à ces bactéries. Ce sont également des déterminants antigéniques, ou épitopes, importants à la surface des cellules d'eucaryotes. Ils déterminent les groupes sanguins et sont une part importante du complexe majeur d'histocompatibilité, ou CMH.

Quelques exemples de glucides :

• le glycéraldéhyde est l'ose le plus simple dans la classe des aldoses, c'est un aldotriose (C₃). De même pour la dihydroxyacétone dans la classe des cétoses (cétotriose). Le ribose est un aldopentose (C₅) qui entre dans la composition des acides nucléiques ;

• le glucose (« gluco », du grec glukus, saveur sucrée) est un aldohexose de formule C₆H₁₂O₆. On le trouve dans les fruits mûrs, le nectar des fleurs, la sève, le sang et certains sirops ;

• le fructose (du latin fructus, fruit) appelé aussi lévulose, est un cétohexose. On le rencontre dans les fruits, le miel, dans certaines boissons sucrées et dans les sécrétions séminales ;

• le saccharose (du grec sakkharon, sucre) de formule C₁₂H₂₂O₁₁ est un disaccharide qui donne par hydrolyse du glucose et du fructose. On le trouve dans la plupart des végétaux et en particulier dans la betterave sucrière, la canne à sucre ;

• le maltose est un disaccharide qui donne par hydrolyse deux molécules de glucose ;

• le lactose est un disaccharide qui donne par hydrolyse un glucose et un β-galactose. On trouve le lactose notamment dans le lait et les produits laitiers.

Formules cycliques du glucose, fructose et saccharose

Glucose.

Fructose.

Saccharose.

Cristaux de saccharose ou sucre de table, le plus familier des glucides.

Lipides

Définition

Les lipides, du grec « lipos » (« graisse »), constituent une classe assez hétérogène de molécules. Sont regroupées sous cette dénomination les molécules ayant un caractère hydrophobe marqué, c'est-à-dire très peu solubles dans l'eau mais solubles dans la plupart des solvants organiques, comme le chloroforme, par exemple. Nous trouvons aussi des lipides dans la cire de bougie, les graisses animales, l'huile d'olive et pratiquement tous les corps gras. La biochimie a complété cette définition en montrant que les lipides possédaient des voies de synthèse communes. Cependant, il n'existe pas encore de définition unique d'un lipide reconnue par l'ensemble de la communauté scientifique. Ceci tient probablement au fait que les lipides forment un ensemble de molécules aux structures et aux fonctions extrêmement variées dans le monde du vivant⁸.

D'un point de vue métabolique, les lipides constituent des réserves énergétiques. Les sucres sont par exemple transformés en lipides et stockés dans les cellules adipeuses en cas de consommation supérieure à l'utilisation.

Les lipides, en particulier les phospholipides, constituent l'élément majeur des membranes cellulaires. Ils définissent une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Leur caractère hydrophobe rend impossible le passage de molécules polaires ou chargées, comme l'eau et les ions, car ils forment des groupes très compacts issus de liaisons covalentes faibles appelées interaction hydrophobe. Seules voies de passage possible : les protéines membranaires où, par exemple, les ions entrent et sortent de la cellule par le biais de canaux ioniques.

Plusieurs hormones sont des lipides, en général dérivées du cholestérol (progestérone, testostérone, etc.), ce qui permet d'agir comme filtre aux entrées des cellules. Les vitamines liposolubles peuvent aussi être classées parmi les lipides.

Contrairement aux acides nucléiques ou aux protéines, les lipides ne sont pas des macromolécules constituées d'une succession d'unités de base.

Structure et classification

Les lipides peuvent être classés selon la structure de leur squelette carboné (atomes de carbone chaînés, cycliques, présence d'insaturations, etc.):

• les acides gras : il s'agit d'acides carboxyliques à longue chaîne carbonée pouvant être saturée, insaturée, ramifiée, etc. Des exemples bien connus sont les oméga-3 et -6, mais aussi les prostaglandines.

Les phospholipides : lipides qui constituent la membrane cellulaire permettant le passage de certains minéraux ;

• les glycérides et phosphoglycérides : ces lipides sont formés par estérification d'un glycérol et d'un à trois acides gras (ou mono-, di- et triglycérides). Dans le cas des phosphoglycérides, l'estérification se fait avec glycérol, un ou deux acides gras et un phosphate. Le groupe phosphate peut à son tour subir une estérification par différents composés hydroxylés comme la choline ou la sérine, donnant respectivement de la phosphatidylcholine et de la phosphatidylsérine. Il est à noter que glycérides et phosphoglycérides sont appelés de façon plus exacte acylglycérols et glycérophospholipides respectivement ;

• les sphingolipides : ces lipides résultent de l'estérification puis de l'amidification de la sérine par deux acides gras. Une sous-classe bien connue de sphingolipides est celle des céramides ;

• les stérols : les stérols sont des lipides possédant une chaîne carbonée plusieurs fois cyclisée. Ils ne sont donc pas linéaires comme les acides gras. Des exemples bien connus de stérols sont le cholestérol, la vitamine D et les hormones stéroïdiennes (testostérone, œstrogènes, cortisone) ;

• les prénols : il s'agit de lipides dérivant de l'isoprène, par exemple les vitamines E et K ou le β-carotène ;

• les polykétides : ils forment une gamme très vaste de composés naturels dont sont dérivés de nombreux antibiotiques comme les macrolides ;

• les saccharolipides : ils résultent de l'estérification et/ou de l'amidification de sucres et d'acides gras. L'exemple le plus connu de saccharolipide est sans doute le lipopolysaccharide.

Pour des raisons pratiques et historiques, acylglycérols et phosphoglycérides sont souvent considérés comme deux catégories différentes, de même que phosphoglycérides et phosphosphingolipides peuvent être regroupés sous l'appellation de phospholipides¹¹.

Quelques exemples de lipides

Acide gras insaturé.

Triacylglycérol.

Phosphoglycéride.

Céramide.

Cholestérol.

β-Carotène.

Macrolide.

Saccharolipide précurseur du lipopolysaccharide.

Protéines (protides)

Les protéines (du grec prôtos, premier) sont des polymères composés d'une combinaison de quelque 20 acides aminés. La plupart des protéines sont formées de l'union de plus de 100 acides aminés (résidus) reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Pour un nombre moins important de résidus on parle de peptides (< 50 résidus) et de polypeptides (≥ 50 résidus).

Acides aminés

Les acides aminés (« amin » du grec ammôniakos, ammoniac) sont des composés organiques azotés qui possèdent une formule générale du type :

N H 2 − H C α   R − C O O H {\displaystyle {\rm {NH_{2}-HC_{\alpha }\ \mathbf {R} -COOH}}}

L'atome de carbone central Cα (carbone alpha) est relié à un groupe amine (NH₂-), à un groupe carboxyle acide (-COOH) et à une chaîne latérale R variable d'un acide aminé à un autre. Les chaînes latérales (R) peuvent avoir des propriétés différentes, certaines sont hydrophiles, d'autres hydrophobes. Certaines, en solution aqueuse, s'ionisent positivement (basiques) et d'autres négativement (acides) ou restent neutres. Les mammifères possèdent les enzymes nécessaires pour la synthèse de l'alanine, l'asparagine, l'aspartate, la cystéine, le glutamate, la glutamine, la glycine, la proline, la sérine, et la tyrosine. Quant à l'arginine et l'histidine, ils sont produits mais en quantité insuffisante surtout pour les jeunes individus. En revanche, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane, et la valine ne peuvent pas être produits par notre organisme. Pour éviter tout carence, ils doivent être apportés régulièrement par l'alimentation dans les bonnes proportions : ce sont les acides aminés essentiels.

Structure des protéines

Les acides aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique au cours de la biosynthèse des protéines dans les ribosomes. La liaison peptidique s'établit entre le carboxyle (COOH) d'un acide aminé et le groupe amine (NH₂) de l'autre :

A c i d e a m i n e ´ ( 1 ) N H 2 − H C α   R 1 − C O O H ⏞ + A c i d e a m i n e ´ ( 2 ) N H 2 − H C α   R 2 − C O O H ⏞ {\displaystyle {\begin{matrix}Acide\,amin{\acute {e}}\,(1)\\\overbrace {\color {Blue}{\rm {NH_{2}-HC_{\alpha }\ \mathbf {R} _{1}-COOH}}} \end{matrix}}+{\begin{matrix}Acide\,amin{\acute {e}}\,(2)\\\overbrace {\color {Red}{\rm {NH_{2}-HC_{\alpha }\ \mathbf {R} _{2}-COOH}}} \end{matrix}}} la réaction produit un dipeptide :

N H 2 − H C α   R 1 − C O − N H − H C α   R 2 − C O O H + H 2 O {\displaystyle {\rm {{\color {Blue}NH_{2}-HC_{\alpha }\ \mathbf {R} _{1}-CO}-{\color {Red}NH-HC_{\alpha }\ \mathbf {R} _{2}-COOH}+H_{2}O}}} Dans la cellule, cette réaction est catalysée par la peptidyltransférase, elle nécessite l'hydrolyse d'ATP (source d'énergie) et la présence d'ions magnésium. Pour chaque liaison formée, une molécule d'eau est formée.

La séquence des acides aminés d'une protéine (l'arrangement et l'ordre des résidus) constitue la structure primaire. Par exemple, pour construire un peptide de 10 résidus à l'aide de la collection de 20 acides aminés, on dispose de 20¹⁰ possibilités. En solution aqueuse, les radicaux possèdent des propriétés chimiques différentes. Certains radicaux peuvent former des liaisons chimiques plus ou moins fortes avec d'autres radicaux de la même chaîne peptidique. Certains se repoussent et d'autres se rapprochent et forment des liens chimiques. La chaîne d'acides aminés aura donc tendance à se replier sur elle-même pour adopter une structure tridimensionnelle précise. Et cette dernière dépend avant tout de la séquence des acides aminés formant la chaîne. En effet, quatre grands types d'interactions interviennent dans le repliement de la chaîne peptidique :

• l'effet hydrophile / hydrophobe ;
• les forces de van der Waals ;
• les liaisons ioniques ;
• les liaisons hydrogène.

Ces quatre premiers types d'interactions sont considérés comme étant faibles (forts lorsque nombreux cependant).

• Les ponts disulfure (liaison covalente entre les atomes de soufre qui relient deux cystéines éloignées l'une de l'autre sur la chaîne). Cela constitue une interaction forte.

Ainsi certaines parties de la chaîne peptidique adoptent une structure régulière appelée structure secondaire. On en reconnaît, selon les angles de torsion des liaisons, trois grands types :

• l'hélice α : la chaîne peptidique prend la forme d'une spirale. Les différentes spires sont stabilisées par des liaisons hydrogène tous les 4 résidus (liaisons hydrogène dites « intracaténaires ») ;

• le feuillet β : il se forme des liaisons hydrogène entre certains segments (brins β) de la chaîne peptidique disposés parallèlement les uns par rapport aux autres (les liaisons hydrogène sont dites « intercaténaires »). L'ensemble forme comme un feuillet plissé ;

• le coude ou « turn » : c'est une structure moins ordonnée qui forme généralement un lien court entre des structures ordonnées (hélice-hélice, feuillet-feuillet ou feuillet-hélice). Une boucle est un lien plus long.

La forme finale de la chaîne peptidique, c’est-à-dire la structure tridimensionnelle qu'adopte la chaîne d'acides aminés, constitue la structure tertiaire de la protéine (voir la figure de la myoglobine en 3D).

Certaines protéines, plus complexes, résultent de l'assemblage des différentes chaînes (monomères) ce qui constitue la structure quaternaire de la protéine. Par exemple, l'hémoglobine est formée de l'association de quatre chaînes peptidiques.

La structure de la protéine peut être dénaturée par plusieurs facteurs, notamment la température, les pH extrêmes et l'augmentation de la force ionique dans le milieu ou par des agents chimiques dénaturants (2-mercaptoéthanol). La dénaturation de la structure 3D d'une protéine a généralement pour conséquence la perte de sa fonction. On parle de « relation structure-fonction ».

Fonctions

Les protéines assurent plusieurs fonctions au sein des cellules et de l'organisme, qui sont à l'essence même de la vie. En voici une liste non exhaustive avec quelques exemples :

• structure et soutien : tubuline, élastine, collagène, kératine ;
• catalyse des réactions biologiques : enzymes ;
• transport et stockage : hémoglobine, ferritine ;
• signalisation et régulation : hormones peptidiques, cytokines ;
• réception et transduction des signaux : récepteurs biologiques ;
• mouvement et motricité : système actine / myosine ;
• identité et défense contre les agressions biologiques : anticorps ;
• protection contre le stress environnemental : les chaperons ;
• détoxification : cytochrome P450, peroxydases, superoxyde dismutase.

Exemples de quelques protéines

Immunoglobuline G (anticorps).

Insuline (hormone).

Hémoglobine (protéine respiratoire).

Triose-phosphate isomérase (enzyme).

Rhodopsine (récepteur).

G actine, monomérique.

F actine, polymère (protéine de soutien/ protéine motrice).

Collagène (protéine de soutien).

Protéome

Pour un total d’environ 20 000 à 25 000 gènes (génome), on estime à un million le nombre de protéines différentes qui peuvent être produites dans les cellules humaines (protéome). Le nombre de protéines produites par le cerveau humain, dont le rôle est essentiel pour son fonctionnement, est estimé à environ 12 000.

Acides nucléiques

Les acides nucléiques ont été isolés initialement des noyaux des cellules eucaryotes (du latin nucleus, noyau). Ce sont des macromolécules comportant des sous-unités appelées nucléotides. On peut en distinguer deux grands types : les acides désoxyribonucléiques (ADN) et les acides ribonucléiques (ARN). L'ADN est le support universel de l'information génétique (sauf pour certains virus). Grâce à deux fonctions catalytiques, cette molécule assure la transmission et l'expression de l'information qu'elle contient :

• la fonction autocatalytique : permet l'autoduplication de l'ADN et assure la transmission de l'information d'une génération à une autre ;

• la fonction hétérocatalytique : gouverne la synthèse protéique. Étant donné que les enzymes sont des protéines et que toutes les synthèses et réactions dépendent d'elles, l'ADN contrôle toute l'organisation et les processus biologiques des cellules et des organismes. Ainsi, l'ADN exprime l'information qu'il comprend.

Structure

Le nucléotide, unité de base des acides nucléiques, comporte trois composants : de l'acide phosphorique, un pentose et une base nucléique :

• l'acide phosphorique (H₃PO₄) possède trois fonctions acides. Deux de ces fonctions sont estérifiées par deux fonctions alcools portées par les carbones 3' et 5' du pentose. La troisième fonction acide est libre. (On numérote les carbones avec des chiffres accompagnés de l’indication (') pour éviter des confusions avec les numérotations des bases) ;

• le pentose (sucre en C₅) : c'est le ribose, présent sous deux formes, le 2'-désoxyribose et le 2'-oxyribose, respectivement dans l'ADN et l'ARN. La liaison pentose-base est une liaison glycosidique. Elle se forme par élimination d'une molécule d'eau entre la base et l'OH semi-acétalique situé sur le carbone 1' de l'ose. L'association pentose-base est appelée nucléoside ;

• les bases nucléiques sont classées en bases pyrimidiques et en bases puriques. Les principales bases pyrimidiques sont : l'uracile (U), la cytosine (C) et la thymine (T). Les principales bases puriques sont : l'adénine (A) et la guanine (G). Les bases puriques et pyrimidiques présentent des formes chimiques interconvertibles appelées formes « tautomères ».