Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

Les macromolécules sont des polymères de forte masse molaire (généralement supérieure à 5 000 Daltons, soit 5 000 g.mol^-1). Il y a des glucides, des acides nucléiques, des protéines et des polyphénols pour l’essentiel.

Les macromolécules glucidiques sont des polymères d’oses reliés par une liaison osidique ou éther oxyde (liaison par condensation de deux fonctions hydroxyles). Ces polymères sont souvent formés par la répétition d’un même motif (ex : la cellulose est un polymère de glucose en β1-4).
Ces polymères ont soit un rôle structural (ex : cellulose et chitine), soit un rôle de réserve énergétique (ex : amidon et glycogène). Les polymères non monotones d’oses peuvent avoir un rôle informationnel (ex : le glycocalyx).

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides reliés par liaison phosphodiester catalysée à l’extrémité 3’OH par une ADN ou une ARN polymérase. Ces acides nucléiques sont porteurs d’une séquence et sont les vecteurs d’information
du vivant, l’ADN étant le support de l’information génétique des cellules et de certains virus, tandis que les ARN sont les produits de la transcription de l’ADN et permet la synthèse des protéines au sens large par coopération lors de la traduction. Les microARN ont eux un rôle de contrôle de l’expression de l’information génétique.

Les protéines sont des polymères d’acides aminés reliés par liaison peptidique (-CO-NH-) catalysée par les ARNr de la grande sous-unité des ribosomes. Les protéines sont le produit de l’expression des gènes et réalisent différentes fonctions dans les cellules à l’origine de son phénotype.

Les polyphénols sont des polymères formés par réticulation de monolignols, des dérivés d’un acide aminé nommé phénylalanine. En se fixant à la cellulose par étherification, les polyphénols contribuent à la rigidification des parois végétales et rendent les tissus imputrescibles. Ils protègent également contre l’agression par des phytophages ou des pathogènes, la lignine étant peu digestible par la majorité des organismes et les tannins étant des composés toxiques pour la plupart des phytophages.

L’eau à l’état liquide constitue en moyenne 70 % des cellules. Elle en constitue le solvant biologique dans laquelle de nombreuses molécules sont dissoutes.

L’eau est une molécule polaire du fait d’une différence d’électronégativité entre l’atome d’oxygène et d’hydrogène. Les atomes d’hydrogènes porteurs d’une charge partielle δ+ peuvent former des liaisons hydrogènes  avec des atomes plus électronégatifs porteurs d’un doublet non liant d’électrons, c’est-à-dire avec l’azote N, l’oxygène O pour les molécules biologiques. En conséquence, les molécules capables de former des liaisons hydrogènes avec l’eau sont des composés hydrophiles alors que les autres sont des composés hydrophobes.

L’eau étant un solvant des cellules, la conséquence de ces interactions est la conformation des molécules, avec les parties hydrophiles en périphérie et les parties hydrophobes regroupées au centre des molécules.

Ces interactions sont aussi à l’origine de la conformation des édifices supramoléculaires comme l’organisation des membranes plasmiques. Les phospholipides étant amphiphiles, ils se regroupent en bicouche avec les queues hydrophobes au cœur des membranes et les têtes hydrophiles au contact des milieux aqueux.

L’eau est en outre un réactif ou un produit des réactions chimiques. L’eau permet les réactions d’hydrolyse des molécules ou est libérée lors de condensations, comme lors des polymérisations.

Elle intervient dans les réactions d’oxydoréductions, l’eau étant un réducteur et le dioxygène un oxydant. L’eau est le donneur d’électron de la phase photochimique de la photosynthèse alors qu’elle est le produit de la réduction du dioxygène lors de la respiration.

Enfin, l’eau permet des réactions acido-basiques ce qui détermine la réactivité de certaines fonctions chimiques comme les fonctions acides carboxyliques. Les différences de pH de part et d’autre d’une membrane sont à l’origine d'une force protomotrice responsable de la synthèse d’ATP ou de transports de molécules et d’ions contre leur gradient électrochimique.