La cellule et ses constituants

La cellule, à la base du monde vivant :

• la cellule procaryote, la plus simple, la plus petite
• la cellule eucaryote, plus complexe, qui possède un noyau et des organites cellulaires spécialisés.

Les êtres unicellulaires peuvent être constitués par une cellule procaryote, c'est le cas des bactéries ou par une cellule eucaryote c'est le cas des protistes.

La hiérarchie dans l'organisation structurale de la cellule

L'organisation cellulaire est très sévèrement contrôlée et hiérarchisée.
 

		ORGANISMES
		ORGANES
		TISSUS
		CELLULES
ORGANITES CELLULAIRES		COMPARTIMENTS CELLULAIRES
ASSEMBLAGES MACROMOLECULAIRES Masse molaire: 106-1010		COMPLEXES MULTIENZYMATIQUES et STRUCTURES COMPLEXES .
MACROMOLECULES Masse molaire: 104-109		PROTEINES		ACIDES NUCLEIQUES		POLYSACCHARIDES
MONOMERES Masse molaire: 100-800		AMINO ACIDES		NUCLEOTIDES		SUCRES		PHOSPHOLIPIDES
BRIQUES Masse molaire: 100-250		20 AMINO ACIDES		5 BASES AZOTEES +RIBOSE		GLUCOSE .		ACIDES GRAS +GLYCEROL +CHOLINE
PRECURSSEURS Masse molaire: 18-44		CO2 , H2O , N2

Les constituants chimiques de la cellule

Constitution chimique : les atomes les plus fréquents
Les éléments chimiques qui constituent les molécules sont des éléments de masse molaire faible.
Les 4 éléments les plus abondants sont l'hydrogène, l'oxygène, le carbone et l'azote. A eux seuls, ils représentent plus de 99% de la masse des cellules.

Tableaux : les atomes les plus fréquents - les principaux oligo-éléments
Les atomes les plus abondants dans les systèmes vivants
 

Abréviations	H	C	N	O	P	S	Na+	Mg++	Cl -	K +	Ca++
Numéro atomique	1	6	7	8	15	16	11	12	17	19	20
Masse Atomique	1	12	14	16	30	32	23	24	35.5	39	40
Abondance dans l'organisme % (atomes pour 100 atomes)	49	25	0.27	25	0.030			0.031		0.047	0.073

Les principaux oligo-éléments
 

V

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Se

Mo

I

Mo

Les types de liaison covalente les plus fréquents
La plupart des biomolécules ont pour squelette des liaison carbone - carbone . Les simples liaisons C-C sont les plus fréquentes. Les doubles liaisons C=C sont plus rares et les triples liaisons sont inexistantes.

Il existe, bien évidemment, des liaisons nombreuses carbone - hydrogène (C-H), carbone - oxygène (C-O) ou (C=O), et carbone - azote (C-N) ou (C=N).
 

Les groupes fonctionnels les plus fréquents

LES PRINCIPALES FONCTIONS PRESENTES DANS LES BIOMOLECULES Nom de la fonction Formule chimique Nom du radical, du préfixe ou suffixe ALCOOL -OL ETHER ETHER, OXY- ALDEHYDE -AL CETONE CARBONYLE, CETO- ACIDE CARBOXYLIQUE CARBOXYLE, -OÏQUE ESTER ESTER, -OATE THIOL ou SULFHYDRYLE THIOL, THIO- AMINE AMINO- IMINE IMINO- AMIDE AMIDO- PHOSPHATE PHOSPHO-

Les groupes fonctionnels des molécules déterminent leurs propriétés chimiques. Les principales fonctions rencontrées sont:  les fonctions alcool (primaire, secondaire ou tertiaire) les fonctions carbonyle (aldéhyde ou cétone) les fonctions carboxyle les fonctions ester les fonctions éther les fonctions amine les fonctions amide les fonctions sulhydryle (ou thiol) les fonctions disulfure (ponts disulfure)

Les principales propriétés des biomolécules

Isomérie
Des molécules qui ont des formules moléculaires identiques mais dont les atomes occupent des positions différentes dans l'espace sont des stéréo-isomères.

Lorsqu'un carbone possède 4 liaisons avec des groupes chimiques différents, on dit qu'il est asymétrique. La présence d'un carbone asymétrique dans une molécule entraîne l'existence d'un couple de stéréo-isomères particuliers appelés énantiomères. Deux énantiomères sont deux molécules chirales images l'une de l'autre dans un miroir (ou symétrique par rapport à un plan).
Par exemple, la main droite et la main gauche sont 2 objets chiraux.

Deux molécules chirales ont des propriétés chimiques identiques mais diffèrent par une propriété caractéristique , leur capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée du même angle mais dans 2 directions opposées : un des isomères fait tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, l'autre dans l'autre sens. C'est pourquoi 2 énantiomères sont encore appelés 2 isomères optiques ou 2 inverses optiques.

On distingue les 2 énantiomères par la notation D et L. Le mélange équimolaire des émantiomères D et L est appelé mélange racémique.

Une autre classe de stéréo-isomères particuliers est l'isomérie géométrique cis-trans. Ce cas se rencontre lorsqu'il y a une double liaison. La double liaison empêche la libre rotation des substituants ce qui se traduit par des configurations différentes selon que les substituants particuliers sont du même côté ou de part et d'autre de la double liaison.
Ainsi il existe 2 diacides différents en C4 : HOOC -CH=CH-COOH selon que les groupes COOH sont du même côté (isomère cis : acide maléique) ou de part et d'autre (isomère trans : acide fumarique) de la double liaison.

Stabilité
Les petites molécules interagissent (sous l'action d'enzymes et en utilisant beaucoup d'énergie) pour former des macromolécules. Les macromolécules adoptent une conformation spatiale qui leur est propre, qui est parfois sous la dépendance d'enzymes particulières (les molécules chaperons) et qui est nécessaire à leur fonction. La conformation efficace que les macromolécules ont dans la cellule s'appelle la conformation native. Cette conformation native peut être altérée dans diverses conditions par exemple par une augmentation de température. Il se produit alors une dénaturation. Si la dénaturation est faite dans des conditions qui ne sont pas trop drastiques, la conformation native peut parfois se rétablir spontanément quand l'agent perturbateur est éliminé. Ceci dénote une grande stabilité de la structure : la configuration native est un état stable (de basse énergie).

Auto-assemblage
Les macromolécules s'associent souvent pour donner des superstructures organisées. Les virus sont des exemples très représentatifs de cette super-organisation.
Le virus de la mosaïque du tabac est un virus en forme de baguette constitué de 2130 sous-unités protéiques identiques qui constituent l'enveloppe protéique et d'une molécule d'ARN simple brin, porteuse du génome viral. Le virus peut être dissocié en composants protéiques et en ARN par de l'acide acétique concentré. Les sous-unités protéiques et l'ARN peuvent se ré-associer en particules virales, spontanément et les virus obtenus sont indiscernables d'un virus non traité aussi bien sur le palan de la structure que sur celui du caractère pathogène.

Les biopolymères sont des polyélectrolytes
Les macromolécules sont pour la plupart chargées électriquement. Leur comportement ionique conditionne leur stabilité et leur interaction avec l'eau (le solvant).
Par exemple, l'ADN est une macromolécule chargée négativement à pH 7.2 (pH intracellulaire). L'ADN aura tendance à s'associer à d'autres macromolécules chargées positivement : les histones qui sont des protéines basiques , chargées positivement au pH physiologique. Les complexes ADN-Histones constituent la structure de la fibre de chromatique , visible à l'état condensé (les chromosomes) quand la cellule se divise.

Importance du comportement des biomolécules vis à vis de l'eau
L'eau est le milieu dans lequel la vie se développe. C'est aussi le solvant dans lequel sont dispersées toutes les macromolécules cellulaires. L'interaction des molécules biologiques et de l'eau se fait sur la base du caractère hydrophile ou hydrophobe de ces molécules. Le caractère hydrophile ou hydrophobe un élément absolument fondamental à la chimie cellulaire, qui sera examiné en détail en de multiples occasions dans le cours.

Les interactions faibles

La conformation des molécules et des macromolécules et leur stabilité sont gouvernées par 4 types d'interactions de faible énergie qui sont :

• les liaisons électrostatiques entre 2 molécules ou 2 parties de molécules qui portent des charges électriques opposées
• les liaisons hydrogène qui s'établissent entre un atome d'hydrogène entouré de 2 atomes électronégatifs
• les interactions hydrophobes qui résultent de l'agrégation des groupes hydrophobes (qui n'aiment pas l'eau) ce qui augmente la stabilité du système dans l'eau.
• les liaisons de van der Waals qui sont des forces d'attraction non spécifiques entre 2 atomes distants de quelques angströms.

Les macromolécules sont les principaux constituants cellulaires

• Les protéines qui ont un rôle fondamental de catalyseur des réactions
• Les polyosides (polysaccharides) qui ont un rôle structural et un rôle de stockage de molécules énergétiques
• Les acides nucléiques qui assurent la transmission du patrimoine génétique et qui permettent la traduction du message génétique en protéines fonctionnelles.
• Les lipides, qui sont des constituants également très importants aussi bien au niveau structural (membranes) que fonctionnel pour la mise en réserve de molécules énergétiques, ne sont pas des macromolécules .