LIAISONS CHIMIQUESLiaisons biochimiques faibles

Morphogenèse des macromolécules et de leurs associations

Les macromolécules biologiques sont des polymères à la structure originale. Deux classes particulièrement importantes sont les acides nucléiques, dont la structure est associée à leur rôle de matrice du patrimoine héréditaire, et les protéines, qui sont les objets de l'expression de ce patrimoine et les effecteurs de la vie cellulaire.

Les protéines sont constituées par un enchaînement linéaire d'acides aminés unis par une liaison covalente, la liaison amide, appelée dans ce cas liaison peptidique. Ce sont donc des polypeptides. Il existe vingt acides aminés naturels, et la structure primaire d'une protéine est réalisée par la disposition séquentielle des différents acides aminés. En conséquence de cette organisation séquentielle, la forme géométrique de la protéine varie. Il existe pourtant certaines caractéristiques qu'on retrouve dans un grand nombre de protéines et qu'on regroupe sous le nom générique de structure secondaire. Il s'agit de structures hélicoïdales (hélice α), stabilisées grâce à la contribution de liaisons hydrogène régulièrement réparties entre atomes d'oxygène et d'azote de deux liaisons peptidiques, de structures presque planes (feuillets β), résultant elles aussi d'un arrangement stabilisé par des liaisons hydrogène particulières, mais aussi des liaisons de Van der Waals entre les résidus variables des acides aminés, et enfin de tournants β qui utilisent une géométrie particulière de certains acides aminés leur permettant un arrangement régulier grâce à la contribution de diverses liaisons faibles. La forme finale de la protéine, que l'on associe généralement à sa fonction dans la vie cellulaire, est sa structure tertiaire. Elle résulte de la combinaison de sections organisées suivant les divers types de structure secondaire (dont la contribution varie le plus souvent entre 10 et 90 p. 100 du total des acides aminés) et d'acides aminés arrangés dans l'espace de manière à constituer un maximum d'interactions faibles, le plus souvent en exposant à la surface de la protéine des acides aminés permettant de nombreuses liaisons avec l'eau, et, au contraire, formant un grand nombre de liaisons de Van der Waals vers l'intérieur.

Rôle des liaisons dans la structure des protéines

Rôle des liaisons faibles dans la structure des protéines : en haut, hélice a d'une chaîne polypeptidique ; en bas, feuillet plissé ß antiparallèle. 

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On distingue de même pour les acides nucléiques une structure primaire (enchaînement avec répétition de quatre nucléotides) et une structure secondaire dont le type le plus connu est la fameuse hélice d'ADN dont le modèle a été proposé en 1953 pour expliquer le mécanisme de la reproduction du patrimoine héréditaire.

L'un des problèmes majeurs de la biologie moléculaire est de proposer des mécanismes permettant de rendre compte de la morphogenèse des macromolécules. Deux hypothèses, qui ne sont pas exclusives, peuvent être avancées. Ou bien c'est au cours de la biosynthèse de ces molécules qu'elles prennent leur forme définitive, ou bien, par la seule présence des interactions entre la molécule et le solvant, la macromolécule s'organise dans l'espace. Bien qu'on sache aujourd'hui que la première hypothèse est plus proche de ce qui se passe in vivo, de nombreuses expériences faites sur des molécules purifiées et isolées ont montré que la machinerie biosynthétique n'est pas nécessaire à la genèse de la forme finale, dans la plupart des cas. Il est possible, en effet, de « dénaturer », en les transformant en une « pelote statistique », les protéines ou les acides nucléiques (en changeant de solvant ou en élevant la température) et d'étudier, à partir de cette forme plus ou moins aléatoire, les conditions du retour à la forme primitive.

Ainsi, plonger la double hélice d'ADN dans la formamide, au lieu de l'eau contenant des ions appropriés, conduit à la disparition de sa forme géométrique. Le retour aux conditions initiales permet ensuite, par un processus lent, de retrouver la double hélice de départ. Dans tous les cas, on remarque que l'eau a un rôle majeur dans la morphogenèse et, plus exactement (contrairement à l'idée répandue mais fausse que l'entropie est associée au désordre), que c'est une augmentation d'entropie qui est le plus souvent associée à la genèse de la forme des macromolécules biologiques. Ce sont des interactions faibles qui déterminent alors la stabilité énergétique de l'état final, le plus souvent en exposant les groupements polaires (capables d'interagir avec l'eau) à la surface et les groupements hydrophobes à l'intérieur. A [...]

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Structure de l'eau
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Interactions dans les systèmes biologiques
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Interaction entre l'eau et les molécules lipidiques
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