SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

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LMB BCPST1C cours Y. Esnault SV-D-2-1 « Les grandes familles biochimiques : les lipides »

SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

SV-D-2 : Les grandes familles biochimiques SV-D-2-1 : Les lipides

La majorité des biomolécules¹ peuvent être rangées dans 4 grandes familles : glucides, lipides, protides, nucléotides/acides nucléiques. Les trois premières sont celles du nutritionniste, vous en avez déjà une connaissance « gastronomique ». Dans toutes ces familles, on trouve à la fois des petites molécules et des macromolécules qui en dérivent, sauf chez les lipides, qui sont tous des petites molécules. Passons donc en revue les petites molécules dans ces 4 familles, en commençant par les lipides.

1 Mais pas toutes : les métabolites intermédiaires, comme par exemple le pyruvate, n’appartiennent à aucune de ces familles mais sont très importants dans le métabolisme. Il peut s’agir de précurseurs des molécules des 4 grandes familles, ou de formes permettant de passer de l’une à l’autre. Par ailleurs, il existe de nombreux exemples de molécules composées, dont les parties appartiennent à des familles différentes. Par exemple, les glycolipides, les glycoprotéines, les protéines à ancre lipidique…

Savoirs visés

« Les lipides forment un ensemble hétérogène de molécules organiques à caractère hydrophobe et de faible masse moléculaire.

Les acides gras constitutifs des lipides membranaires et des triglycérides peuvent être saturés ou insaturés. Des lipides amphiphiles (phospholipide, glycolipide, cholestérol) forment les bicouches lipidiques constitutives des membranes.

Les triglycérides sont des molécules de réserve. Ils sont stockés sous forme de gouttelettes dans le cytoplasme des cellules de différents tissus (tissu adipeux des Métazoaires, tissus de réserve des graines oléagineuses des Angiospermes).

Des dérivés du cholestérol sont des molécules informationnelles (hormones stéroïdes) »

Capacités exigibles

 « Exploiter la formule chimique d’un acide gras pour identifier son caractère hydrophobe, saturé ou insaturé. »

 « Représenter un triglycéride et un phospholipide, les formules des constituants de base étant fournies. »

 « Décrire et reconnaître les groupements hydrophobes et hydrophiles d’un phospholipide, d’un glycolipide et du cholestérol. »

Précisions et limites

« Les représentations attendues permettent seulement de montrer l’organisation fonctionnelle des lipides présentés.

Pour les raisonnements, un formulaire regroupant les formules des principaux constituants (acide gras saturé, acide gras insaturé, glycérol, choline, sérine, éthanolamine, cholestérol) est fourni aux étudiants. Pour les hormones stéroïdes, on se limite aux seules hormones sexuelles connues des élèves depuis le lycée. Les cérides, les sphingolipides et les terpénoïdes ne sont pas attendus.»

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A) Définition des lipides

Contrairement aux glucides, les lipides ne forment pas une famille de molécules homogènes, facile à définir du point de vue structural. Cette famille rassemble des petites molécules (pas de macromolécules, je vous le rappelle) assez variées. Au sens le plus large, leur définition porte sur leurs propriétés : ce sont des molécules peu ou pas miscibles dans l’eau, partiellement ou totalement hydrophobes. On peut en revanche en dissoudre certains dans un solvant organique comme l’éther ou l’acétone. Certains auteurs utilisent le terme au sens étroit, pour désigner les seuls esters d’acides gras par exemple. Attention au contexte.

Il y a donc lipide et lipide : certains sont complètement hydrophobes : présents dans une solution aqueuse, par interaction hydrophobe (cf. SV-C), ils vont se réunir pour former une phase distincte de la phase aqueuse, et s’organiser en gouttelettes, comme c’est le cas par exemple dans les adipocytes. Ces lipides sont les huiles, les graisses : songez au comportement d’un mélange huile/eau après agitation. Les cires sont encore plus hydrophobes, en partie solides à température ambiante, elles forment des revêtements imperméables.

D’autres lipides sont constitués de parties aux propriétés distinctes vis-à-vis de l’eau : une partie hydrophile et une autre hydrophobe. De telles molécules sont dites amphiphiles (« amour double »).

Dans l’eau, elles vont s’organiser de façon à ce que la partie hydrophile soit tournée vers l’eau, et la partie hydrophobe à l’abri de l’eau. Plusieurs structures permettent ceci. La plus simple est une sphère avec toutes les « têtes » hydrophiles en surface, et toutes les « queues » hydrophobes enfouies à l’intérieur. Une telle structure, nommée micelle, est de peu d’importance dans le fonctionnement cellulaire. Tout d’abord, elle est nécessairement petite, le rayon de la sphère équivalant à la longueur de la molécule, si petite qu’elle est invisible au microscope même électronique. Ensuite, pour qu’une molécule puisse s’organiser en micelle, il faut que la partie hydrophobe ne soit pas trop volumineuse, sinon il est évident qu’il y aurait encombrement vers le centre de la sphère !

Une autre solution est de former deux couches de lipides amphiphiles tête bêche avec, dans chaque couche, les têtes des lipides tournés vers l’extérieur - c’est-à-dire vers la solution aqueuse - et les queues tournées vers l’intérieur - c’est-à-dire vers les queues des lipides de la couche en vis-à-vis.

Une telle structure est nommée bicouche. Les bicouches peuvent être planes, on peut aussi les refermer sur elles-mêmes en emprisonnant un volume de solution aqueuse à l’intérieur. Une telle structure est nommée liposome lorsqu’elle est de petite taille. Les liposomes sont utilisés dans l’industrie pharmaceutique et cosmétique pour faire parvenir des principes actifs dans les cellules en franchissant la barrière de la membrane (nous verrons pourquoi). Une sphère délimitée par une bicouche, de plus grande taille, n’est rien d’autre… qu’une cellule (artificielle) ! En effet, nous verrons que les membranes biologiques sont des bicouches lipidiques (mais pas seulement lipidiques).

B) Les acides gras

Commençons cette présentation des lipides par les acides gras. Pris isolément, ce sont bien des lipides, au comportement amphiphile. Mais ce sont aussi, sous forme d’esters, les constituants des lipides complexes les plus importants dans la cellule. Il faut donc commencer par les décrire.

Un acide gras est tout simplement un acide carboxylique avec un squelette carboné linéaire (chaine aliphatique). De quelle longueur ? Cela varie avec les auteurs, et l’on parle même d’acide gras volatil pour les acides en C2, C3 et C4 (acides acétique, propionique et butyrique) vus avec la vache ! La plupart des auteurs réservent le terme à partir de 4 carbones, et parlent d’acide gras « à longue chaîne » à partir de 14 carbones, ce sont ceux qui nous occuperont ici. Leurs carbones sont naturellement numérotés à partir du carbone 1 porteur de la fonction acide, mais on utilise parfois la nomenclature en lettres grecques : le carbone alpha () est le premier carbone après le carbone porteur de la fonction (donc le carbone 2), tandis que le dernier carbone de la chaîne est noté oméga (). Vous avez surement déjà entendu parler des -3 : nous y revenons dans un instant.

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Notons pour commencer que les acides gras naturels ont un nombre pair de carbones². Cela vient du fait qu’ils sont synthétisés par condensation d’unités à deux carbones, comme nous le verrons dans le chapitre I-C-2. On leur donne souvent un nom inspiré par le végétal où ils sont particulièrement abondants, par exemple l’acide laurique, extrait des baies de laurier. Avec ses 12 carbones, on peut l’écrire en formule semi-développée CH3-(CH2)10-COOH soit en posant n=12, CH3-(CH2)n-2-COOH et en formule brute CnH2nO2. Les acides palmitique (C16H32O2) et stéariques (C18H36O2) s’écrivent bien ainsi, ce sont des acides gras saturés ; mais ce n’est pas le cas de tous les acides gras.

Ainsi, l’acide oléique, lui aussi à 18 carbones comme l’acide stéarique, s’écrit C18H34O2 : il manque donc deux hydrogènes, signe d’une insaturation (double liaison) dans la chaine aliphatique.

Quant à l’acide linoléique, C18H32O2, il compte donc deux insaturations. On note cela en écrivant C18:1 et C18:2, respectivement, et l’on parle d’acide gras insaturés. Pour préciser l’emplacement des insaturations, on rajoute un suffixe : C18:2 9,12 indique que les insaturations du carbone linoléique sont entre les carbones 9 et 10 et entre les carbones 12 et 13. On peut aussi noter cet acide gras -6, ce qui signifie que la « dernière » insaturation est à 6 carbones de l’extrémité de la chaîne (le carbone

), soit entre les carbones 12 et 13 (12 = 18-6). Les fameux -3 si bénéfiques pour votre organisme sont donc des acides gras qui possèdent une double liaison entre les carbones n-3 et n-2. Pour décrire complètement l’acide gras, il faut encore préciser la géométrie de la double liaison : les deux hydrogènes sont-ils du même côté de la double liaison (géométrie Z, ou cis) ou de chaque côté (géométrie E, ou trans³) ? Ainsi, l’acide oléique se note C18:1 9 cis tandis que son stéréoisomère, l’acide élaïdique, se note C18:1 9 trans.

Toutes ces caractéristiques des acides gras déterminent la température de fusion, c’est-à-dire la température à laquelle, lors du chauffage d’un acide gras, on passe de l’état solide à l’état liquide.

Pour commencer, on note que, si l’on compare deux acides gras saturés, le plus long aura la température de fusion la plus élevée : ce sera le plus difficile à faire fondre. La raison est que les chaines aliphatiques des acides gras se rangent les unes contre les autres de façon régulière à l’état solide en établissant sur toute leur longueur des liaisons faibles, nommées liaisons de Van der Waals, sur lesquelles nous reviendrons. Plus les chaînes sont longues, plus ces liaisons sont nombreuses et donc plus il faut d’agitation moléculaire pour les défaire. On note ensuite que pour deux acides gras de même longueur, l’un saturé comme l’acide stéarique, l’autre insaturé comme l’acide oléique, l’acide gras insaturé a la température de fusion la plus basse : la double liaison crée une brisure dans la chaîne qui gêne le rapprochement des acides gras les uns contre les autres, et moins de liaisons sont formées.

Enfin, pour deux acides gras insaturés de même formule, le trans a une température de fusion plus élevée que le cis. En effet, la géométrie de la chaine est presque linéaire pour le trans, mais présente un coude pour le cis, ce qui gêne encore plus l’alignement des acides gras.

Pour finir, mentionnons une propriété majeure des acides gras, l’amphiphilie. En effet, la fonction acide carboxylique est polaire (cf SV-D-1) et au pH cellulaire proche de 7, elle est même majoritairement chargée, puisque les acides carboxyliques ont des pKa proches de 5. La « tête » des acides gras est donc fortement hydrophile, tandis que leur « queue » aliphatique est hydrophobe. Dans l’eau, les acides gras peuvent former une monocouche à la surface de l’eau avec les queues « en l’air », mais la structure la plus probable est une micelle (permise par le faible encombrement des queues).

Cette amphiphilie leur donne un pouvoir émulsifiant : ils peuvent stabiliser un mélange d’huile et d’eau en engageant leur queue hydrophobe dans la gouttelette d’huile tout en maintenant leur tête hydrophile à la surface de la gouttelette. On établit ainsi des liaisons H avec l’eau environnante, et les charges ^– à la surface des gouttelettes les empêchent de fusionner par répulsion électrostatique : le résultat est une émulsion huile/eau plus ou moins stable. Tout lipide amphiphile peut jouer ce rôle d’émulsifiant : le jaune d’œuf (qui n’est pas un acide gras) dans la mayonnaise, ou les acides de la bile (pas non plus des acides gras) lors de la digestion des lipides.

2 A part le rare acide margarique (C17), présent dans le lait des ruminants.

3 Cis/trans et Z/E ne sont pas tout à fait synonymes, mais pour ce qui nous concerne, oui.

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C) Triglycérides : huiles et graisses

Les acides gras peuvent participer à la constitution de lipides plus complexes par une réaction d’estérification avec une fonction alcool. Ces lipides esters d’acides gras sont les triglycérides, les stérides et les cérides (le programme ne mentionne que les premiers). Présentons-les dans cet ordre.

Un triglycéride est constitué par l’estérification d’un trialcool, le glycérol, et de 3 acides gras. Le glycérol est une molécule très simple, polaire, 3 carbones portant chacun une fonction alcool, sa structure est à connaître. Une fois les trois fonctions alcool estérifiées par 3 acides gras (qui peuvent être identiques ou différents), la molécule résultante est franchement hydrophobe, car la liaison ester est très peu polaire. On libère le glycérol et les acides par la réaction inverse, une simple hydrolyse, en consommant 3 molécules d’eau. Ce processus se produit spontanément, il est responsable de l’acidité de l’huile, c’est-à-dire la teneur en acides gras libres qui doit être très faible pour la commercialisation.

Les triglycérides sont la forme de stockage des acides gras. En effet, comme la molécule est hydrophobe, elle forme des globules ou gouttelettes anhydres dans les cellules, ce qui réduit le poids et l’encombrement. On les trouve tant chez les animaux que chez les végétaux. Chez les animaux, ils forment les graisses, avec des acides gras majoritairement saturés, donc déterminant une température de fusion élevée : à température ambiante, les graisses sont semi-solides. On les trouve dans un tissu particulier, le tissu adipeux, constitué d’un type cellulaire particulier, les adipocytes, remplis chacun par une énorme gouttelette lipidique. Les triglycérides des animaux ont une fonction de réserve énergétique, mais aussi d’isolation thermique et de protection mécanique des organes.

Chez les végétaux, on trouve des huiles, principalement dans les graines oléagineuses (soja, tournesol, lin…) mais aussi dans les fruits (olivier, palmier à huile) ; là aussi, les triglycérides ont une fonction de réserve. S’ils sont plus fluides que chez les animaux, c’est qu’ils sont constitués d’acides gras plus insaturés. C’est très net si l’on compare la composition en acides gras des triglycérides de l’huile d’olive et du lait.

Les triglycérides sont importants dans l’alimentation humaine. Ils ont aussi d’autres usages, comme la fabrication de savon (eh oui, le savon qui sert à enlever la graisse est fait à partir de graisse…).

La réaction de saponification consiste à casser la liaison ester avec une base forte comme la soude ou la potasse (attention, ce n’est pas une hydrolyse) pour donner des sels d’acides gras, dont nous avons vu le pouvoir émulsifiant sur la graisse.

Mentionnons très rapidement (puisque le programme ne le fait pas) deux autres types d’esters d’acides gras. Les stérides sont des esters d’un acide gras et d’un alcool polycyclique, un stérol, le cholestérol étant le plus connu. On les trouve dans le sébum, et ils circulent dans le sang au sein des lipoprotéines, structures présentées au prochain chapitre.

Les cérides sont les cires, lipides hautement hydrophobes à fonction de revêtement imperméabilisant (suint de la laine des moutons, cuticule des feuilles), de structure (cire d’abeille), ou autre (spermaceti des cétacés, pour l’écholocation ?). Les cérides sont formés par l’estérification d’un acide gras et d’un alcool gras, lui aussi à longue chaine aliphatique.

D) Lipides amphiphiles : constituants des membranes

Passons maintenant à des lipides très importants, phospholipides, glycolipides et cholestérol, puisqu’il s’agit des constituants lipidiques des membranes.

La majorité des phospholipides sont des glycérophospholipides, c’est-à-dire construits à partir du glycérol. Ils sont synthétisés à partir du phosphatidate, qui n’est rien d’autre qu’un diglycéride phosphorylé : un glycérol estérifié avec 2 acides gras, où la troisième fonction alcool du glycérol a été phosphoestérifiée par un phosphate. A partir de là, on obtient des molécules différentes en estérifiant le phosphate par la fonction OH de différents alcools. Les 4 molécules hydroxylées pouvant réaliser

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cette estérification sont la choline, la sérine, l’inositol et l’éthanolamine. Il n’est pas demandé de connaitre leur structure⁴ puisqu’un formulaire sera fourni, mais il n’est pas mauvais d’y jeter un œil.

On peut mémoriser la choline. Ce principe de la synthèse des phosphoglycérolipides est exigible.

Il existe une autre catégorie de phospholipides, qui n’est pas au programme : ce sont les sphingophospholipides. Ils sont bâtis sur la sphingosine, un alcool aminé à longue chaine aliphatique.

Chez l’homme ces lipides sont représentés par la sphingomyéline abondante dans le système nerveux (gaine de myéline).

On retrouve la même dualité chez les glycolipides : ils sont bâtis soit sur un diglycéride (glycéroglycolipes), soit sur un céramide (sphingoglycolipides). La fonction OH libre de l’une ou l’autre de ces molécules est ensuite estérifiée par un ose, auquel d’autres oses peuvent s’enchaîner. Les glycéroglycolipides, avec un ou plusieurs galactoses, sont notamment trouvés dans les chloroplastes des cellules végétales, ils entrent dans la composition de la membrane des thylacoïdes (galactolipides).

Les sphingoglycolipides sont trouvés notamment dans les membranes du système nerveux des animaux, ce sont les cérébrosides (1 ose) et les gangliosides (plusieurs oses). Des gangliosides importants sont ceux responsables du système ABO des groupes sanguins (attention, une partie des arborescences osidiques codant les groupes est portée par des protéines plutôt que des lipides). La structure détaillée des glycolipides n’est pas exigible.

Une caractéristique commune aux phospholipides et aux glycolipides est qu’il s’agit de molécules amphiphiles. Ceci se voit aisément en examinant leur structure. Par exemple, pour un phosphoglycéride, sa partie diglycéride est hydrophobe, avec ses deux longues chaînes aliphatiques et ses liaisons esters, mais le phosphate, chargé négativement au pH cellulaire, est hydrophile, tout comme la molécule hydroxylée qui lui est liée (l’inositol est neutre mais polaire, la choline et l’éthanolamine sont chargées + à pH7, enfin la sérine porte une charge + et une charge -). Le lipide peut être globalement neutre (c’est le cas de la phosphatidyléthanolamine et de la phosphatidylcholine où les charges + et – se compensent), mais il n’en reste pas moins amphiphile. On distingue la « tête » hydrophile et les deux « queues » (les deux chaines aliphatiques des acides gras) hydrophobes. Spontanément, de tels lipides vont former des bicouches en solution aqueuses (les queues sont trop volumineuses pour qu’ils forment des micelles).

Autre lipide membranaire important, le cholestérol a une structure tout autre (souvenez-vous que la famille des lipides n’a pas d’unité structurale). Il s’agit d’un isoprénoïde⁵, c’est-à-dire d’une molécule bâtie par l’enchainement d’unités isoprène⁶ (molécule à cinq carbones avec deux insaturations). Le cholestérol est une molécule à 27 carbones avec 4 cycles (noyau stérane), une insaturation et une fonction alcool (famille des stérols). Sa structure n’est pas à connaître, elle vous sera donnée dans le formulaire. Il est surtout important de noter que la molécule est amphiphile, mais avec une tête hydrophile très petite, réduite à la fonction alcool, une partie rigide « en raquette » (les 4 cycles) et une queue alkyl. Comme on l’a vu en SV-C, le cholestérol joue un rôle très important dans le contrôle de la fluidité des membranes. Il est transporté par voie sanguine au sein des lipoprotéines pour être distribué aux cellules (qui peuvent aussi le fabriquer elles-mêmes.

4 Il s’agit, dans l’ordre, d’une amine tertiaire hydroxylée, d’un acide aminé hydroxylé, d’un polyalcool cyclique et d’un alcool aminé.

5 A cette famille appartiennent aussi d’autres lipides que nous verrons plus tard, comme le bêta carotène, pigment chlorophyllien de couleur orange présent dans les feuilles (masqué par les chlorophylles), les fruits (citrouille), les racines (carotte). Ingéré par un mammifère, il conduit à la vitamine A. Autres exemples d’isoprénoïdes, la queue phytol des chlorophylles et de la chaine latérale des quinones (cf. partie SV-E).

6 Sous forme phosphatée, ce qui l’active

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E) Dérivés du cholestérol : molécules informationnelles

Le cholestérol est le précurseur d’un ensemble d’hormones dites stéroïdes, où l’on retrouve le noyau stérane. Il s’agit d’hormones sexuelles (progestérone, œstradiol, testostérone, entre autres) ou contrôlant différents aspects de la physiologie (cortisone, aldostérone, entre autres). Comme ces hormones sont majoritairement hydrophobes, leur transport dans le sang est facilité par leur association à une protéine de transport⁷. Inversement, leur hydrophobicité leur permet de traverser directement la bicouche lipidique des cellules cibles, sans l’aide d’un transporteur. Une fois dans le cytosol, elles se lient à leur récepteur dans le cytosol ou le noyau : le récepteur activé agit alors sur l’expression de gènes spécifiques.

7 Comme l’albumine ou la globuline.