La biologie - ou officieusement, la vie elle-même - est caractérisée par d'élégantes macromolécules qui ont évolué au cours de centaines de millions d'années pour servir une gamme de fonctions critiques. Ceux-ci sont souvent classés en quatre types de base: les glucides (ou polysaccharides), les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Si vous avez des antécédents en nutrition, vous reconnaîtrez les trois premiers d'entre eux comme les trois macronutriments standard (ou «macros», dans le langage des régimes) énumérés sur les étiquettes d'informations nutritionnelles. La quatrième concerne deux molécules étroitement liées qui servent de base au stockage et à la traduction de l'information génétique dans tous les êtres vivants.

Chacune de ces quatre macromolécules de la vie, ou biomolécules, remplit diverses fonctions; comme vous pouvez vous en douter, leurs différents rôles sont parfaitement liés à leurs divers composants physiques et arrangements.
Macromolécules

Une macromolécule
est une très grosse molécule, généralement constituée de sous-unités répétées appelées < em> monomères
, qui ne peuvent pas être réduits à des constituants plus simples sans sacrifier l'élément "building block". Bien qu'il n'y ait pas de définition standard de la taille d'une molécule pour obtenir le préfixe "macro", ils ont généralement, au minimum, des milliers d'atomes. Vous avez presque certainement vu ce genre de construction dans le monde non naturel; par exemple, de nombreux types de papiers peints, bien qu'élaborés dans leur conception et physiquement expansifs dans leur ensemble, sont constitués de sous-unités adjacentes qui sont souvent inférieures à un pied carré environ. De manière encore plus évidente, une chaîne peut être considérée comme une macromolécule dont les maillons individuels sont des "monomères".

Un point important concernant les macromolécules biologiques est que, à l'exception des lipides, leurs unités monomères sont polaires, ce qui signifie qu'ils ont une charge électrique qui n'est pas distribuée symétriquement. Schématiquement, ils ont des "têtes" et des "queues" aux propriétés physiques et chimiques différentes. Parce que les monomères se rejoignent tête-bêche, les macromolécules elles-mêmes sont également polaires.

De plus, toutes les biomolécules contiennent de grandes quantités de carbone élémentaire. Vous avez peut-être entendu le genre de vie sur Terre (en d'autres termes, le seul genre que nous connaissons avec certitude existe n'importe où) appelé «vie basée sur le carbone», et pour cause. Mais l'azote, l'oxygène, l'hydrogène et le phosphore sont également indispensables aux êtres vivants, et une foule d'autres éléments sont dans le mélange à des degrés moindres.
Glucides

Il est presque certain que lorsque vous voyez ou entendez le mot «glucides», la première chose à laquelle vous pensez est «nourriture» et peut-être plus précisément «quelque chose dans la nourriture que beaucoup de gens ont l'intention de se débarrasser». "Lo-carb" et "no-carb" sont tous deux devenus des mots à la mode pour perdre du poids au début du 21e siècle, et le terme "carbo-loading" est utilisé par la communauté des sports d'endurance depuis les années 1970. Mais en fait, les glucides sont bien plus qu'une simple source d'énergie pour les êtres vivants.

Les molécules de glucides ont toutes la formule (CH _{2O) n, où n est le nombre d'atomes de carbone présent. Cela signifie que le rapport C: H: O est de 1: 2: 1. Par exemple, les sucres simples glucose, fructose et galactose ont tous la formule C 6H 12O 6 (les atomes de ces trois molécules sont bien sûr disposés différemment).}

Les glucides sont classés comme monosaccharides, disaccharides et polysaccharides. Un monosaccharide est l'unité monomère des glucides, mais certains glucides sont constitués d'un seul monomère, comme le glucose, le fructose et le galactose. Habituellement, ces monosaccharides sont les plus stables sous forme de cycle, qui est représenté schématiquement comme un hexagone.

Les disaccharides sont des sucres avec deux unités monomères ou une paire de monosaccharides. Ces sous-unités peuvent être identiques (comme dans le maltose, qui se compose de deux molécules de glucose jointes) ou différentes (comme dans le saccharose, ou le sucre de table, qui se compose d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose. Les liaisons entre les monosaccharides sont appelées liaisons glycosidiques.

Les polysaccharides contiennent au moins trois monosaccharides. Plus ces chaînes sont longues, plus elles sont susceptibles d'avoir des ramifications, c'est-à-dire de ne pas être simplement une ligne de monosaccharides de bout en bout. Les exemples de polysaccharides incluent l'amidon, le glycogène , la cellulose et la chitine.

L'amidon a tendance à se former en hélice ou en forme de spirale, ce qui est courant dans les biomolécules de haut poids moléculaire en général. La cellulose, en revanche, est linéaire, consistant en une longue chaîne de les monomères de glucose avec des liaisons hydrogène entrecoupées entre les atomes de carbone à intervalles réguliers. La cellulose est un composant des cellules végétales et leur donne leur rigidité. Les humains ne peuvent pas digérer la cellulose, et dans l'alimentation, elle est généralement appelée «fibre». er glucides structuraux, trouvés dans le corps extérieur des arthropodes comme les insectes, les araignées et les crabes. La chitine est un glucide modifié, car il est "frelaté" avec de nombreux atomes d'azote. Le glycogène est la forme de stockage de glucides du corps; des dépôts de glycogène se trouvent dans le foie et les tissus musculaires. Grâce aux adaptations enzymatiques de ces tissus, les athlètes entraînés sont capables de stocker plus de glycogène que les personnes sédentaires en raison de leurs besoins énergétiques élevés et de leurs pratiques nutritionnelles.
Protéines

Comme les glucides, les protéines font partie de la plupart des le vocabulaire quotidien des gens en raison de leur fonction de soi-disant macronutriments. Mais les protéines sont incroyablement polyvalentes, bien plus que les glucides. En fait, sans protéines, il n'y aurait ni glucides ni lipides car les enzymes nécessaires à la synthèse (ainsi qu'à la digestion) de ces molécules sont elles-mêmes des protéines.

Les monomères des protéines sont des acides aminés. Ceux-ci comprennent un groupe acide carboxylique (-COOH) et un groupe amino (-NH _{2). Lorsque les acides aminés se rejoignent, c'est via une liaison hydrogène entre le groupe acide carboxylique de l'un des acides aminés et le groupe amino de l'autre, avec une molécule d'eau (H 2O) libérée dans le processus. Une chaîne croissante d'acides aminés est un polypeptide, et quand il est suffisamment long et prend sa forme tridimensionnelle, c'est une protéine à part entière. Contrairement aux glucides, les protéines ne montrent jamais de branches; ils ne sont qu'une chaîne de groupes carboxyle joints à des groupes amino. Parce que cette chaîne doit avoir un début et une fin, une extrémité a un groupe amino libre et est appelée N-terminal, tandis que l'autre a un groupe amino libre et est appelée C-terminal. Parce qu'il y a 20 acides aminés, et ceux-ci peuvent être organisés dans n'importe quel ordre, la composition des protéines est extrêmement variée même si aucune ramification ne se produit.}

Les protéines ont ce qu'on appelle une structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire fait référence à la séquence d'acides aminés dans la protéine, et elle est génétiquement déterminée. La structure secondaire fait référence à la flexion ou au pliage de la chaîne, généralement de manière répétitive. Certaines conformations comprennent une hélice alpha et une feuille plissée bêta, et résultent de faibles liaisons hydrogène entre les chaînes latérales de différents acides aminés. La structure tertiaire est la torsion et le recourbement de la protéine dans l'espace tridimensionnel et peut impliquer des liaisons disulfure (soufre à soufre) et des liaisons hydrogène, entre autres. Enfin, la structure quaternaire fait référence à plus d'une chaîne polypeptidique dans la même macromolécule. Cela se produit dans le collagène, qui se compose de trois chaînes torsadées et enroulées ensemble comme une corde.

Les protéines peuvent servir d'enzymes, qui catalysent les réactions biochimiques dans le corps; sous forme d'hormones, telles que l'insuline et l'hormone de croissance; comme éléments structurels; et en tant que composants de la membrane cellulaire.
Lipides

Les lipides sont un ensemble diversifié de macromolécules, mais ils partagent tous le caractère d'être hydrophobes; c'est-à-dire qu'ils ne se dissolvent pas dans l'eau. En effet, les lipides sont électriquement neutres et donc non polaires, tandis que l'eau est une molécule polaire. Les lipides comprennent les triglycérides (graisses et huiles), les phospholipides, les caroténoïdes, les stéroïdes et les cires. Ils interviennent principalement dans la formation et la stabilité de la membrane cellulaire, forment des portions d'hormones et sont utilisés comme combustible stocké. Les graisses, un type de lipide, sont le troisième type de macronutriments, avec des glucides et des protéines discutés précédemment. Par l'oxydation de leurs soi-disant acides gras, ils fournissent 9 calories par gramme au lieu des 4 calories par gramme fournies par les glucides et les graisses.

Les lipides ne sont pas des polymères, ils se présentent donc sous diverses formes . Comme les glucides, ils sont constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Les triglycérides sont constitués de trois acides gras reliés à une molécule de glycérol, un alcool à trois carbones. Ces chaînes latérales d'acides gras sont de longs hydrocarbures simples. Ces chaînes peuvent avoir des doubles liaisons, et si c'est le cas, cela rend l'acide gras insaturé
. S'il n'y a qu'une seule double liaison, l'acide gras est monoinsaturé
. S'il y en a deux ou plus, il est polyinsaturé
. Ces différents types d'acides gras ont des implications sur la santé différentes pour différentes personnes en raison de leurs effets sur les parois des vaisseaux sanguins. Les graisses saturées, qui n'ont pas de doubles liaisons, sont solides à température ambiante et sont généralement des graisses animales; ceux-ci ont tendance à provoquer des plaques artérielles et peuvent contribuer aux maladies cardiaques. Les acides gras peuvent être manipulés chimiquement et les graisses insaturées telles que les huiles végétales peuvent être saturées afin qu'elles soient solides et faciles à utiliser à température ambiante, comme la margarine.

Phospholipides, qui ont un lipide hydrophobe à une extrémité et un phosphate hydrophile à l'autre, sont un composant important des membranes cellulaires. Ces membranes sont constituées d'une bicouche phospholipidique. Les deux parties lipidiques, étant hydrophobes, font face à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule, tandis que les queues hydrophiles de phosphate se rencontrent au centre de la bicouche.

Les autres lipides comprennent les stéroïdes, qui servent d'hormones et de précurseurs hormonaux (par exemple, le cholestérol) et contiennent une série de structures annulaires distinctives; et les cires, qui incluent la cire d'abeille et la lanoline.
Acides nucléiques

Les acides nucléiques comprennent l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Celles-ci sont très similaires structurellement car les deux sont des polymères dans lesquels les unités monomères sont des nucléotides
. Les nucléotides sont constitués d'un groupe sucre pentose, d'un groupe phosphate et d'un groupe base azotée. Dans l'ADN et l'ARN, ces bases peuvent être de quatre types; sinon, tous les nucléotides de l'ADN sont identiques, tout comme ceux de l'ARN.

L'ADN et l'ARN diffèrent de trois façons principales. La première est que dans l'ADN, le sucre pentose est le désoxyribose et dans l'ARN, c'est le ribose. Ces sucres diffèrent par exactement un atome d'oxygène. La deuxième différence est que l'ADN est généralement double brin, formant la double hélice découverte dans les années 1950 par l'équipe de Watson et Crick, mais l'ARN est simple brin. Le troisième est que l'ADN contient les bases azotées adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T), mais l'ARN a de l'uracile (U) substitué à la thymine.

L'ADN stocke les informations héréditaires . Les longueurs de nucléotides constituent les gènes
, qui contiennent les informations, via les séquences de bases azotées, pour fabriquer des protéines spécifiques. Beaucoup de gènes composent les chromosomes,
et la somme totale des chromosomes d'un organisme (les humains ont 23 paires) est son génome
. L'ADN est utilisé dans le processus de transcription pour fabriquer une forme d'ARN appelée ARN messager (ARNm). Cela stocke les informations codées d'une manière légèrement différente et les déplace hors du noyau cellulaire où se trouve l'ADN et dans le cytoplasme ou la matrice cellulaire. Ici, d'autres types d'ARN initient le processus de traduction, dans lequel les protéines sont fabriquées et réparties dans toute la cellule.