MACROMOLÉCULES

Les acides nucléiques

Deux familles d' acides nucléiques, l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN), sont présentes dans les cellules. L'ADN et l'ARN résultent de l'enchaînement linéaire régulier de nucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'une base hétérocyclique azotée (adénine, guanine, cytosine ou thymine dans le cas de l'ADN ; adénine, guanine, cytosine et uracile dans le cas de l'ARN), d'un sucre et d'un groupement phosphate. du point de vue chimique, la différence principale, apparemment minime, entre les nucléotides de l'ADN et l'ARN porte sur la nature du sucre, un désoxyribose et un ribose, respectivement. Néanmoins, l'ADN et l'ARN ont des structures et des fonctions tout à fait différentes.

Dans la cellule, l'ADN adopte une structure en double hélice droite, résultant de l'association non covalente de deux brins (ou chaînes) complémentaires ; chaque nucléotide d'un brin étant apparié à un nucléotide de l'autre brin. Cette structure a été décrite pour la première fois, en 1953, par F. H. C. Crick et par J. D. Watson. La masse molaire de l'ADN, très grande, varie suivant les espèces. L'ADN humain contient 3 milliards de paires de nucléotides. Si cet ADN pouvait être complètement étiré, il aurait une longueur d'environ 2 mètres pour un diamètre de l'ordre de 2 × 10^—9 mètre. De nombreuses études sur des fragments d'ADN, naturels ou synthétiques, ont démontré le polymorphisme de l'ADN. Suivant les conditions expérimentales, un fragment d'ADN adopte une structure en double hélice droite (avec des variantes dans les paramètres hélicoïdaux) ou une structure en double hélice gauche ou même des structures hélicoïdales plus complexes contenant trois ou quatre brins. Aussi bien sur une paire de nucléotides que sur plusieurs centaines ou milliers de nucléotides, la structure de l'ADN est dynamique et non statique.

En fonction de la séquence des chaînons nucléotidiques dont il est constitué l'ADN est le support de l 'information génétique. '''''''''' L'information génétique est conservée intégralement au cours de la division de la cellule mère en deux cellules filles. La cellule est capable de synthétiser deux copies conformes de son ADN (si l'on excepte les mutations), grâce à la complémentarité des deux brins de la double hélice. Cependant, il serait erroné de penser que le rôle de l'ADN n'est qu'informatif. L'ADN matrice interfère, par sa structure dynamique, avec l'action de protéines comme celles qui sont impliquées dans la réplication (synthèse d'ADN) et dans la transcription (synthèse de l'ARN).

La transcription de l'ADN en ARN donne naissance à trois grandes classes d'ARN qui englobent les ARN messagers, les ARN ribosomaux et les ARN de transfert (chez les eucaryotes, d'autres ARN interviennent dans le métabolisme nucléaire).

Comme l'ADN, les ARN ont une structure séquentiellement déterminée. Il existe trois classes d'ARN qui ont des fonctions différentes mais leur couplage dirige la synthèse protéique. La synthèse d'une protéine nécessite l'assemblage entre un ARN messager (qui porte l'instruction définissant la séquence de la protéine qu'il code), les ribosomes (édifices formés par l'association des ARN ribosomaux et de protéines permettant l'enchaînement séquentiellement déterminé des acides aminés) et les ARN de transfert ((qui véhiculent spécifiquement ces acides aminés du cytoplasme aux ribosomes).

Les protéines

Les protéines constituent une classe de macromolécules d'une grande complexité. Elles résultent de l'enchaînement linéaire d'acides aminés assemblés séquentiellement au niveau des ribosomes du cytoplasme cellulaire conformément au modèle que constitue l'ARN messager, c'est-à-dire conformément au code génétique qui procède d'une séquence originellement définie au niveau de l'ADN. Vingt sortes d'acides aminés, différant par la nature chimique de leurs chaînes latérales, entrent dans la composition des protéines, d'où une très grande diversité des protéines (l'enchaînement de 100 acides aminés différents permet de générer 20¹⁰⁰ protéines). Les masses molaires des protéines couvrent un très large domaine, mais en général sont inférieures à 100 000 grammes par mole. La composition en acides aminés et la séquence selon laquelle ils sont disposés dans la molécule de la protéine déterminent la structure et la fonction de celle-ci.

Le repliement d'une protéine résulte d'interactions faibles (non covalentes) entre les acides aminés en fonction de la séquence qu'ils constituent. Ces interactions faibles stabilisent localement des structures ordonnées (hélice α et feuillet β) qui contiennent un nombre variable d'acides aminés. Les hélices α et les feuillets β interagissent entre eux pour former des unités globulaires (domaines) qui à leur tour peuvent interagir entre elles. Enfin, plusieurs protéines (deux ou plus, identiques ou pas) peuvent s'associer pour former des édifices complexes actifs de grandes masses molaires. Il est remarquable que la structure tridimensionnelle des protéines, stabilisée par des interactions faibles, soit aussi précise. Le remplacement (à l'occasion d'une mutation au niveau de l'ADN) d'un acide aminé par un autre peut entraîner la modification de la structure de la protéine. Souvent, les protéines subissent des modifications post-traductionnelles spécifiques, comme la phosphorylation ou la fixation covalente de groupes carbohydrates donnant des glycoprotéines) ou de corps gras (pour constituer des lipoprotéines).

Les protéines sont les agents actifs de la cellule. Elles interviennent à tous les niveaux (rigidité structurale, perméabilité des membranes, transport, concentration des métabolites, déplacement, fonctionnement des gènes, etc.). Certaines d'entre elles, appelées enzymes, ont la propriété remarquable d'être des catalyseurs spécifiques. Un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction sans changer ni la direction de la réaction ni le rapport à l'équilibre entre les produits et les réactifs et se retrouve intact à la fin de la réaction. Les enzymes sont capables d'augmenter la vitesse d'une réaction de 10⁶ à 10¹² fois par rapport à celle de la même réaction non catalysée et dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, elles sont très spécifiques, en ce sens qu'elles sont capables de « reconnaître » (spécificité de liaison) des substrats ayant des formules chimiques voisines.

Comme les acides nucléiques les protéines sont des hétéro-polymères définis par la séquence des monomines qui les constituent. Il s'ensuit que ces molécules sont source d'information, donc dotées d'une fonction organisatrice éventuelle vis-à-vis du milieu cellulaire dans lequel elles sont placées.

Polysaccharides

Les polysaccharides résultent de l'enchaînement linéaire ou ramifié de sucres. Bien qu'une quinzaine de sortes de sucres entrent dans la composition des polysaccharides, chaque polysaccharide ne contient qu'un nombre limité (de 1 à 6) de sortes de sucres. Tout en ayant la même composition chimique, des polysaccharides peuvent être différents. C'est le cas de l'amylose, de l'amylopectine et du glycogène, qui sont des polymères de l'α-D-glucopyranose. L'un de ces polymères – qui diffèrent par la position des liaisons covalentes entre les monomères – est linéaire (amylose), les deux autres sont ramifiés (amylopectine et glycogène). Contrairement et aux protéines, qui ont presque toujours une masse molaire définie, les polysaccharides ont des masses molaires souvent variables. Les polysaccharides peuvent se structurer mais pas de façon aussi remarquable et variée que les protéines. En plus de leur position, l'orientation des liaisons covalentes entre monomères dans des homopolymères conduit à des structures différentes. L'amylose a une structure lâche alors que la cellulose a une structure très ordonnée. Toutes ces possibilités dans l'enchaînement des monomères rendent très compliquée la caractérisation physico-chimique des polysaccharides.

Certains polysaccharides servent de stocks de matières nutritives. C'est le cas du glycogène dans les cellules animales et de l'amidon dans les cellules végétales : ces réserves de glucides sont décomposables lors du métabolisme (glycolyse). D'autres polysaccharides interviennent dans la construction des parois des cellules végétales et bactériennes. Enfin, de courts polysaccharides (oligosaccharides) greffés sur certaines macromolécules jouent un rôle très important dans les phénomènes de signalisation qui entrent en jeu au cours de l'activité cellulaire.

Macromolécules ou biomolécules ?

De nombreuses études sont encore consacrées à l'élucidation de la structure et de la fonction de biopolymères dans des milieux physiquement simples (solutions diluées, cristaux...). L'intérêt de ces études s'est trouvé conforté parce que, en parallèle, il est vérifié que des réactions se produisant dans la cellule peuvent être reproduites, au moins partiellement, dans le tube à essai en utilisant un mélange adéquat de biopolymères purifiés et de petites molécules. Il est ainsi possible de répliquer et de transcrire l'ADN, de synthétiser des protéines, toutes ces réactions obéissant aux lois classiques de la physique et de la chimie. Cependant, les équilibres réactionnels ainsi que les vitesses des réactions peuvent être complètement modifiés dans la cellule. En effet, le milieu cellulaire est hautement organisé ; les biopolymères sont confinés dans un espace restreint (d'où une concentration élevée) et les réactions sont couplées. Dans des solutions très concentrées de complexes ADN-protéines (conditions se rapprochant de celles qui sont rencontrées dans le noyau des cellules eucaryotes, bien que les concentrations ioniques, le pH et le degré d'hydratation soient peu connus), d'une part les propriétés fonctionnelles des complexes sont stimulées et, d'autre part, les interactions entre ces complexes donnent naissance à une organisation cristalline liquide. Il est certain que les problèmes d'organisation à l'échelle supramoléculaire dans les êtres vivants interviennent à plusieurs niveaux (membranes, cellule elle-même, tissus cellulaires, etc.) et jouent un rôle fondamental dans le fonctionnement biochimique (cf. encadré, biomolécules et évolution).