Les constituants du vivant

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Minéral et organique

Une molécule organique possède un squelette carboné, c'est-à-dire une chaîne d'atomes de carbone liés entre eux et liés à des atomes d'hydrogène. Une molécule minérale n'en possède pas. Le dioxyde de carbone et les ions carbonate sont, par convention et malgré la présence de carbone, classés parmi les substances minérales.

Les constituants du vivant sont des deux natures. Côté minéral, l'eau, très largement majoritaire en masse, les gaz dissous et les ions. Côté organique, les quatre grandes familles de biomolécules que le chapitre suivant détaille, glucides, lipides, protides et acides nucléiques.

Quelques éléments dominent en quantité : carbone, hydrogène, oxygène et azote, auxquels s'ajoutent le phosphore et le soufre. Les ions les plus courants sont le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et le chlorure. D'autres éléments, présents en très faible quantité, sont indispensables, par exemple le fer, qui est au cœur de l'hème de l'hémoglobine, ou le magnésium, au cœur de la chlorophylle.

L'eau, molécule dipolaire

La molécule d'eau est coudée. L'oxygène est nettement plus électronégatif que l'hydrogène, donc chaque liaison entre l'oxygène et un hydrogène est polarisée, l'oxygène portant une charge partielle négative et chaque hydrogène une charge partielle positive. Comme la molécule est coudée et non linéaire, ces polarisations ne se compensent pas et la molécule possède un moment dipolaire permanent. C'est un dipôle électrique.

Cette polarité permet aux molécules d'eau d'établir entre elles des liaisons hydrogène. Une liaison hydrogène s'établit entre un atome d'hydrogène porté par un atome électronégatif et un doublet non liant d'un autre atome électronégatif. Chaque molécule d'eau peut en établir plusieurs, ce qui donne à l'eau liquide un réseau dense et sans cesse remanié.

Toutes les propriétés remarquables de l'eau découlent de ce réseau de liaisons hydrogène. C'est le raisonnement à tenir systématiquement.

Les propriétés de l'eau et leurs fonctions biologiques

L'eau est un solvant polaire. Les molécules d'eau s'orientent autour des ions et des molécules polaires, dont elles écrantent les charges, ce qui les sépare et les maintient en solution. On appelle solvatation cette mise en solution. Les substances qui interagissent favorablement avec l'eau sont dites hydrophiles, les autres hydrophobes. La conséquence biologique est majeure : la cellule est un milieu aqueux, donc toutes les réactions du métabolisme se déroulent en solution aqueuse, et les molécules apolaires y sont exclues ou repoussées les unes contre les autres.

L'eau possède une capacité thermique élevée. Élever sa température exige beaucoup d'énergie, parce qu'une partie de cette énergie sert à rompre des liaisons hydrogène. Un organisme largement aqueux voit donc sa température varier lentement lorsque le milieu change, ce qui constitue une stabilisation thermique passive. De même, la vaporisation de l'eau exige beaucoup d'énergie, ce qui rend l'évaporation très efficace pour évacuer de la chaleur, par exemple lors de la transpiration végétale ou de la sudation.

L'eau est pratiquement incompressible. Cette propriété est utilisée mécaniquement, notamment dans la turgescence des cellules végétales, où la vacuole gonflée d'eau plaque le cytoplasme contre la paroi et rigidifie l'organe.

L'eau possède des propriétés de cohésion. Les liaisons hydrogène lient les molécules d'eau entre elles, ce qui permet à une colonne d'eau de supporter une tension sans se rompre. C'est la base du mécanisme de tension et cohésion qui fait monter la sève brute dans le xylème. L'adhésion de l'eau aux parois hydrophiles complète ce dispositif.

L'eau est enfin un réactif à part entière. Elle intervient dans toutes les réactions d'hydrolyse, qui coupent une liaison par addition d'une molécule d'eau, et symétriquement les réactions de condensation libèrent une molécule d'eau. Elle est aussi le donneur d'électrons de la photosynthèse.

Les fonctions chimiques à connaître

Le programme limite explicitement la liste à dix fonctions. Pour chacune, il faut savoir la reconnaître sur une formule et énoncer la propriété qu'elle confère.

La fonction alkyl désigne une chaîne carbonée apolaire. Elle est hydrophobe, et d'autant plus que la chaîne est longue.

La fonction alcool est un groupement hydroxyle porté par un carbone. Elle est polaire et peut établir des liaisons hydrogène, donc elle est hydrophile. Elle peut être estérifiée, phosphorylée, et oxydée.

La fonction aldéhyde est un carbonyle en bout de chaîne, la fonction cétone un carbonyle en position interne. Toutes deux sont polaires. L'aldéhyde s'oxyde facilement en acide carboxylique, ce qui explique le caractère réducteur de nombreux oses.

La fonction acide carboxylique associe un carbonyle et un hydroxyle sur le même carbone. Elle est polaire et surtout acide : au pH cellulaire, elle est très majoritairement sous forme ionisée, donc chargée négativement. Elle participe aux estérifications et à la formation des liaisons amide.

La fonction amine est basique. Au pH cellulaire, elle capte un proton et se trouve majoritairement sous forme ionisée, donc chargée positivement.

La fonction amide résulte de la réaction entre un acide carboxylique et une amine. Elle n'est ni acide ni basique, elle est polaire et peut établir des liaisons hydrogène. La liaison peptidique des protéines est une liaison amide.

La fonction ester résulte de la réaction entre un acide carboxylique et un alcool, avec libération d'une molécule d'eau. Elle masque les charges des deux fonctions de départ, donc elle rend la molécule moins hydrophile. C'est exactement ce qui se passe dans un triglycéride.

La fonction thiol, analogue soufré de l'alcool, est surtout intéressante par sa réactivité en oxydoréduction. Deux thiols peuvent s'oxyder et former un pont disulfure, liaison covalente qui stabilise la structure tridimensionnelle de certaines protéines.

La fonction phosphoryle correspond à un groupement dérivé de l'acide phosphorique greffé sur une molécule. Elle est fortement ionisée au pH cellulaire, donc porteuse de charges négatives. Elle rend la molécule très hydrophile, l'empêche de traverser spontanément une membrane, et sa liaison à un groupement porte une énergie mobilisable.

Des fonctions aux propriétés, puis aux fonctions biologiques

Trois propriétés sont à déduire systématiquement des fonctions présentes.

L'hydrophilie et la solubilité. Une molécule est d'autant plus soluble dans l'eau qu'elle porte davantage de fonctions polaires ou ionisables rapportées à sa taille. Une longue chaîne alkyl la rend hydrophobe. Une molécule qui porte les deux à la fois, comme un phospholipide ou un acide gras à longue chaîne, est amphiphile et s'organise spontanément en structures où les parties hydrophobes se regroupent.

L'ionisation. Elle dépend de la fonction et du pH du milieu. Au pH cellulaire, proche de la neutralité, les acides carboxyliques sont déprotonés et négatifs, les amines sont protonées et positives, les groupements phosphoryle sont négatifs. Une molécule portant à la fois une fonction acide et une fonction amine porte donc deux charges opposées, ce qui est le cas d'un acide aminé.

La réactivité. Le programme cite cinq types de réactions à savoir repérer. Les réactions acido-basiques, qui modifient l'état d'ionisation. L'estérification, entre un acide et un alcool. La phosphorylation, qui greffe un groupement phosphoryle et modifie profondément les propriétés de la molécule cible. L'oxydoréduction, échange d'électrons souvent couplé à un échange de protons dans le vivant. L'équilibre céto-énolique, interconversion entre une forme cétone et une forme énol, qui intervient notamment dans la chimie des oses.

Les liaisons chimiques du vivant

Les atomes peuvent être liés par des liaisons fortes ou par des interactions faibles, et l'opposition entre les deux structure le chapitre.

La liaison covalente résulte de la mise en commun d'électrons entre deux atomes. Elle est courte, de l'ordre du dixième de nanomètre, et son énergie est élevée, de l'ordre de plusieurs centaines de kilojoules par mole. Elle est donc stable : elle ne se rompt pas spontanément à la température du vivant et sa rupture exige en général une catalyse enzymatique. Elle assure le squelette des molécules.

La liaison de coordinence est une liaison forte dans laquelle les deux électrons partagés proviennent d'un même atome. Elle intervient typiquement dans la fixation d'un cation métallique par une molécule organique, comme le fer dans l'hème ou le magnésium dans la chlorophylle.

Les interactions faibles ont des énergies de l'ordre de quelques kilojoules à quelques dizaines de kilojoules par mole, soit un à deux ordres de grandeur en dessous d'une liaison covalente, et des distances plus grandes. Prises isolément, elles se forment et se rompent en permanence à la température du vivant. C'est leur caractère labile qui fait leur intérêt biologique.

La liaison hydrogène s'établit entre un hydrogène lié à un atome électronégatif et un doublet non liant d'un autre atome électronégatif. Elle est directionnelle et c'est la plus forte des interactions faibles.

L'interaction ionique s'établit entre deux groupements portant des charges opposées. Son intensité dépend du milieu et elle est fortement affaiblie dans l'eau, qui écrante les charges.

L'interaction de van der Waals résulte de dipôles, permanents ou induits, entre atomes voisins. Elle est très faible individuellement mais devient significative quand de nombreux atomes sont en contact étroit. L'effet hydrophobe, qui rassemble les parties apolaires pour les soustraire au contact de l'eau, est considéré ici comme un cas particulier d'interaction de van der Waals.

La conséquence fonctionnelle est décisive et doit apparaître dans toute copie. Les liaisons covalentes assurent la permanence des molécules. Les interactions faibles, nombreuses et réversibles, assurent la structure tridimensionnelle des macromolécules, la reconnaissance entre une protéine et son ligand, la cohésion des membranes, l'appariement des bases de l'ADN. Ce sont elles qui rendent le vivant à la fois organisé et dynamique.

Exemples et ordres de grandeur

L'eau représente couramment de l'ordre de 60 à 70 pour cent de la masse d'un organisme, et davantage pour certains tissus ou organismes aquatiques. L'angle entre les deux liaisons de la molécule d'eau vaut environ 105 degrés, valeur qui explique le caractère dipolaire.

Une liaison covalente a une longueur de l'ordre de 0,1 à 0,15 nanomètre et une énergie de l'ordre de 200 à 800 kilojoules par mole. Une liaison hydrogène a une longueur de l'ordre de 0,3 nanomètre et une énergie de l'ordre de 10 à 30 kilojoules par mole. Une interaction de van der Waals a une énergie de l'ordre de quelques kilojoules par mole. Le rapport d'un facteur dix à cent entre liaison forte et interaction faible est l'ordre de grandeur à retenir.

Le schéma d'un réseau de liaisons hydrogène à décrire en mots. On dessine plusieurs molécules d'eau en V, oxygène au sommet portant une charge partielle négative, hydrogènes aux extrémités portant chacun une charge partielle positive. Entre l'hydrogène d'une molécule et l'oxygène d'une autre, on trace un trait en pointillés, qui figure la liaison hydrogène, plus long que les traits pleins des liaisons covalentes internes. On annote les deux longueurs et les deux ordres de grandeur d'énergie.

Le schéma d'une molécule amphiphile à décrire en mots. Un cercle figure la tête polaire, deux traits ondulés figurent les chaînes hydrophobes. Placées dans l'eau, ces molécules se regroupent, têtes vers l'eau et chaînes rassemblées au centre. On annote la cause, l'effet hydrophobe, et la conséquence, une organisation spontanée sans apport d'énergie.

Méthodes et savoir-faire

Les capacités attendues sont en nombre limité et toutes orientées vers l'exploitation d'une formule.

Identifier la nature minérale ou organique d'une molécule, en cherchant un squelette carboné.

Relier les propriétés de la molécule d'eau à ses fonctions biologiques. Le raisonnement part toujours de la polarité et des liaisons hydrogène, puis descend vers la propriété macroscopique, puis vers la fonction.

Relier les caractéristiques d'une molécule, nature et taille, à ses propriétés d'hydrophilie, de solubilité et d'ionisation, à sa réactivité, et finalement à sa stabilité et à ses fonctions. La méthode consiste à entourer une par une les fonctions chimiques sur la formule, à noter en face de chacune la propriété conférée, puis à faire le bilan pour la molécule entière en tenant compte des proportions.

Repérer les liaisons possibles au sein d'une molécule ou entre molécules, selon les fonctions chimiques qu'elles contiennent. Une fonction alcool ou amide peut établir une liaison hydrogène, une fonction acide déprotonée peut établir une interaction ionique avec une amine protonée, deux chaînes alkyl établissent des interactions de van der Waals, deux thiols peuvent former un pont disulfure covalent.

Un formulaire regroupant les principales biomolécules est fourni en évaluation lorsque cela est nécessaire. Les formules ne sont donc pas à mémoriser, mais l'argumentation de leurs fonctions, de leur réactivité et des liaisons qu'elles peuvent former est attendue.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Justifier le caractère dipolaire de la molécule d'eau à partir de l'électronégativité et de la géométrie coudée.
2. Dérouler la chaîne complète pour trois propriétés de l'eau au choix : liaisons hydrogène, puis propriété, puis fonction biologique avec un exemple précis.
3. Reconnaître sur une formule inconnue les dix fonctions chimiques au programme et annoncer pour chacune la propriété conférée.
4. Prévoir l'état d'ionisation d'une molécule au pH cellulaire à partir des fonctions acide, amine et phosphoryle qu'elle porte.
5. Expliquer pourquoi l'estérification d'un acide gras sur le glycérol diminue l'hydrophilie, et relier ce fait au stockage des triglycérides en gouttelettes.
6. Comparer chiffres à l'appui liaison covalente et interactions faibles, en distance et en énergie, et en déduire leurs rôles respectifs.
7. Justifier que la structure tridimensionnelle d'une protéine repose sur des interactions faibles tout en étant reproductible.
8. Piège fréquent : dire qu'une interaction faible est négligeable. Elle est faible individuellement, mais la multiplication du nombre d'interactions rend l'ensemble très stable, tout en restant réversible localement.

Notions et mécanismes clés

• Électronégativité : aptitude d'un atome à attirer vers lui les électrons d'une liaison. L'ordre utile est O > N > S ≈ C > H. Les liaisons O-H et N-H sont donc polarisées. Les liaisons C-H sont pratiquement apolaires et les liaisons S-H faiblement polarisées.
• Donneur de liaison hydrogène : un hydrogène porté par O ou N. Accepteur : un O ou un N qui possède un doublet non liant.
• Alcool, amine neutre et amide sont à la fois donneurs et accepteurs. Aldéhyde, cétone et ester sont seulement accepteurs, par leur oxygène. Une amine protonée est seulement donneuse.
• Hydratation : solvatation par l'eau. Les molécules d'eau s'orientent autour d'un ion. Leur oxygène est tourné vers un cation, leurs hydrogènes vers un anion.
• Permittivité relative de l'eau : environ 80. Une interaction ionique y est donc très affaiblie par rapport au vide ou à un milieu apolaire.
• pKa : valeur du pH pour laquelle la moitié d'un groupement est ionisée. Deux unités de pH au-delà, du côté favorable, environ 99 % du groupement est ionisé.
• Repères de pKa : acide carboxylique vers 4 à 5, amine protonée vers 9 à 10,5, deuxième acidité d'un phosphate vers 6 à 7.
• Amphion (zwitterion) : molécule qui porte des charges opposées, pour une charge nette nulle. C'est la forme d'un acide aminé en solution au pH cellulaire.
• Condensation : union de deux molécules avec départ d'une molécule d'eau. Hydrolyse : réaction inverse, qui consomme une molécule d'eau.
• Estérification : bilan formel acide + alcool → ester + eau. Dans la cellule, elle passe par des intermédiaires activés.
• Phosphorylation : greffe d'un groupement phosphoryle, souvent sur un alcool. Le donneur fréquent est l'ATP et l'enzyme est une kinase.
• Oxydation : perte d'électrons. Réduction : gain d'électrons. Un réducteur est un donneur d'électrons. Dans le vivant, les électrons circulent souvent accompagnés de protons.
• Équilibre céto-énolique : un composé carbonylé qui porte un hydrogène sur le carbone voisin est en équilibre avec une forme énol, où une double liaison C=C porte un hydroxyle. La forme carbonylée est en général très majoritaire.
• Liaison amide plane : la délocalisation électronique lui donne un caractère partiel de double liaison. Elle est rigide, sans rotation libre.
• Pont disulfure : liaison covalente S-S formée par oxydation de deux thiols. Une réduction la rompt.
• Chélation : fixation d'un cation par plusieurs doublets non liants d'une même molécule, par liaisons de coordinence.
• Agitation thermique : l'ordre de grandeur de référence est RT, soit environ 2,6 kJ/mol à 37 °C. Une liaison dont l'énergie approche cette valeur est rompue en permanence.

Chaînes de raisonnement

De l'électronégativité au pouvoir solvant. L'oxygène attire les électrons des liaisons O-H, et la géométrie coudée empêche les polarisations de se compenser. La molécule d'eau est donc un dipôle capable d'entourer ions et groupements polaires, et d'établir des liaisons hydrogène avec eux. Une substance est donc dissoute si les interactions qu'elle établit avec l'eau compensent celles qu'elle rompt dans le réseau de l'eau, ce qui n'est pas le cas d'une chaîne alkyl.

Des liaisons hydrogène à la stabilité thermique. Chauffer de l'eau oblige à rompre une partie de son réseau de liaisons hydrogène. La capacité thermique est donc élevée, et la vaporisation encore plus coûteuse. Un organisme riche en eau amortit les variations de température du milieu, et l'évaporation d'eau à sa surface est un moyen efficace de perdre de la chaleur.

De la cohésion à l'ascension de la sève brute. La transpiration évapore de l'eau au niveau des feuilles, ce qui met en tension la colonne d'eau des vaisseaux du xylème. Les liaisons hydrogène entre molécules d'eau (cohésion) et avec les parois hydrophiles des vaisseaux (adhésion) empêchent la colonne de se rompre. L'eau est tirée depuis les racines sans dépense d'ATP par la plante, l'énergie venant du rayonnement qui alimente l'évaporation.

De la phosphorylation au piégeage d'un métabolite. Le glucose, polaire mais non chargé, traverse la membrane plasmique par des transporteurs spécifiques. Une fois phosphorylé en glucose-6-phosphate, il porte des charges négatives au pH cellulaire et n'est plus reconnu par ces transporteurs. Il reste donc dans la cellule, ce qui maintient un gradient d'entrée du glucose libre.

De l'estérification au stockage compact. L'estérification d'un acide carboxylique par un alcool supprime une charge et un donneur de liaison hydrogène. Un triglycéride, qui porte trois esters et trois longues chaînes alkyl, est donc presque totalement hydrophobe. Il se regroupe en gouttelettes anhydres, alors qu'une réserve glucidique très hydroxylée reste entourée d'eau d'hydratation.

Du nombre d'interactions faibles à la stabilité réversible. Une liaison hydrogène isolée a une énergie proche de quelques RT, donc elle se rompt et se reforme sans cesse. Des centaines d'interactions coopératives rendent en revanche une structure globalement stable, puisqu'il faudrait les rompre presque toutes à la fois pour la défaire. Une élévation de température, un changement de pH ou un agent qui concurrence les liaisons hydrogène peuvent cependant faire basculer l'ensemble : c'est la dénaturation.

Du pH à la fonction. Le pH fixe l'état d'ionisation des fonctions acide, amine et phosphoryle. Changer de pH modifie donc les charges d'une molécule, donc ses interactions ioniques et ses liaisons hydrogène. C'est pourquoi l'activité d'une enzyme ou la fixation d'un ligand dépendent du pH.

Exemples et références à connaître

1. Eau : capacité thermique massique d'environ 4,2 kJ par kilogramme et par kelvin. Chaleur latente de vaporisation d'environ 2,4 kJ par gramme à la température du corps. Évaporer 100 g de sueur évacue donc environ 240 kJ, de quoi abaisser d'environ 1 °C la température d'un humain de 70 kg.
2. Repère énergétique : RT vaut environ 2,6 kJ/mol à 37 °C. Une liaison covalente C-C vaut environ 350 kJ/mol, une liaison hydrogène de 10 à 30 kJ/mol. C'est cette comparaison qui justifie les mots « forte » et « faible ».
3. Hème : un ion fer lié par coordinence à quatre atomes d'azote d'un cycle porphyrine, plus un azote d'une histidine de la protéine. Chlorophylle : un ion magnésium au centre d'un cycle comparable. Exemples types de coordinence et de chélation.
4. Paires de bases de l'ADN : trois liaisons hydrogène entre G et C, deux entre A et T. Exemple de reconnaissance fondée sur la complémentarité des donneurs et des accepteurs.
5. Ponts disulfure : kératine riche en cystéines, insuline dont les deux chaînes sont reliées par des ponts disulfure. La permanente capillaire réduit ces ponts puis les réoxyde dans une nouvelle position.
6. Expérience d'Anfinsen, sur la ribonucléase A. Dénaturée par l'urée et par un réducteur, l'enzyme retrouve sa conformation et son activité quand on retire les deux agents. Référence pour montrer qu'une structure fondée sur des interactions faibles est reproductible.
7. Réaction de la liqueur de Fehling : un sucre réducteur réduit les ions cuivre(II) en un précipité rouge brique d'oxyde de cuivre(I). Le fructose, pourtant cétose, est positif en milieu basique grâce à l'équilibre céto-énolique qui le convertit partiellement en aldoses.
8. Cas limites minéral ou organique : dioxyde de carbone, carbonates et ions hydrogénocarbonate sont minéraux par convention. Or l'hydrogénocarbonate est la principale forme de transport du dioxyde de carbone dans le plasma, ce qui fait le lien avec la circulation sanguine.

Techniques

Lire une formule inconnue

Réflexe en trois colonnes. Dans la première, on entoure chaque fonction et on la nomme. Dans la deuxième, on note ce qu'elle confère : polarité, charge au pH 7, donneur ou accepteur de liaison hydrogène, réactivité. Dans la troisième, on fait le bilan pour la molécule entière, en pesant la part polaire contre la longueur des chaînes alkyl.

Mini-exemple : le palmitate, acide gras à 16 carbones. Il porte une fonction acide carboxylique, ionisée au pH 7, et une chaîne alkyl de quinze carbones. Le bilan : une petite tête chargée et une longue queue apolaire, donc une molécule amphiphile, très peu soluble sous forme isolée, qui forme des micelles.

Prévoir une charge au pH cellulaire

On compare le pH aux repères de pKa. Un groupement acide est ionisé si le pH dépasse son pKa. Une amine est protonée si le pH est inférieur au pKa de sa forme protonée. On additionne ensuite les charges.

Mini-exemple : la glycine. À pH 7, elle porte COO⁻ et NH₃⁺, sa charge nette est nulle. À pH 1, le carboxyle est protoné et sa charge nette vaut +1. À pH 12, l'amine est neutre et sa charge nette vaut −1.

Recenser les liaisons possibles entre deux molécules

On dresse la liste des donneurs et des accepteurs de chacune, de leurs charges et de leurs zones apolaires, puis on apparie. Un donneur fait face à un accepteur, deux charges opposées s'attirent, deux zones apolaires se regroupent, deux thiols proches peuvent s'oxyder.

Mini-exemple : entre deux liaisons peptidiques voisines, le N-H de l'une donne une liaison hydrogène au C=O de l'autre. C'est la base des hélices et des feuillets des protéines.

Analyser un document quantitatif

On identifie la variable qui change, on décrit la tendance chiffres à l'appui, puis on l'explique par une propriété moléculaire.

Mini-exemple : un tableau donne la solubilité dans l'eau d'alcools linéaires. Méthanol et éthanol sont miscibles en toutes proportions, le butan-1-ol se dissout à quelques grammes pour 100 mL, l'octan-1-ol presque pas. Or la fonction alcool reste unique alors que la chaîne alkyl s'allonge. La solubilité dépend donc du rapport entre partie polaire et partie apolaire, et pas seulement de la présence d'une fonction hydrophile.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes