Les lipides sont une classe de biomolécules qui se définit par leur solubilité dans les solvants organiques, comme le chloroforme, et leur insolubilité relative dans l’eau. Les interactions entre les lipides et entre les lipides et d’autres biomolécules résultent en grande partie de leur nature hydrophobe (qui déteste l’eau). Les lipides peuvent être divisés en deux catégories principales en fonction de leurs structures : ceux qui sont basés sur les acides gras, et ceux qui sont basés sur l’isoprène , une chaîne ramifiée à cinq atomes de carbone.
Lipides à base d’acides gras
Les acides gras sont des acides carboxyliques non ramifiés, contenant généralement un nombre pair d’atomes de carbone (entre 12 et 24, inclus). S’il n’y a pas de doubles liaisons entre les atomes de carbone, l’acide gras est saturé ; s’il y a des doubles liaisons entre les atomes de carbone, l’acide gras est insaturé. Les acides gras insaturés naturels possèdent une à six doubles liaisons, les doubles liaisons étant séparées par au moins deux liaisons simples ; les doubles liaisons ont la configuration cis. Ces doubles liaisons empêchent le « tassement » des molécules (dans les solides), ce qui abaisse le point de fusion des acides gras. De nombreuses propriétés physiques des substances lipidiques sont déterminées par le degré d’insaturation. Les acides gras polyinsaturés oméga-3 ( ω -3), ainsi nommés en raison de la double liaison entre le troisième avant-dernier ( ω -3) et le quatrième avant-dernier ( ω -4) carbones, sont couramment présents dans les poissons d’eau froide et on pense qu’ils jouent un rôle important dans de nombreuses fonctions neurologiques.
En réponse aux conditions de stress, divers tissus convertissent les acides gras polyinsaturés ayant vingt carbones en une famille de composés appelés eicosanoïdes. Les eicosanoïdes comprennent les prostaglandines, les thromboxanes, les prostacyclines et les leucotriènes, et sont généralement impliqués dans l’inflammation et la sensation de douleur. L’aspirine, l’acétaminophène et d’autres analgésiques agissent en inhibant les réactions initiales nécessaires à la conversion des acides gras en eicosanoïdes.
Le groupe acide carboxylique d’une molécule d’acide gras fournit un endroit pratique pour lier l’acide gras à un alcool, via une liaison ester. Si l’acide gras s’attache à un alcool avec une longue chaîne de carbone, la substance résultante est appelée une cire. Les cires sont très hydrophobes et repoussent donc l’eau. Le glycérol, un composé à trois carbones avec un groupe alcool à chaque carbone, forme très souvent des esters avec les acides gras. Lorsque le glycérol et une molécule d’acide gras sont combinés, la partie acide gras du composé résultant est appelée groupe « acyle », et la partie glycérol est appelée « glycéride ». Selon ce système de nomenclature, un triacylglycéride a trois acides gras attachés à une seule molécule de glycérol ; ce nom est parfois raccourci en « triglycéride ». Les substances triglycérides sont communément appelées
graisses ou huiles, selon qu’elles sont solides ou liquides à température ambiante. Les triglycérides constituent une réserve d’énergie dans les systèmes biologiques. Les diacylglycérides sont couramment trouvés dans la nature avec des chaînes acyles se produisant à deux carbones adjacents, et sont la base de la chimie des phospholipides.
Lipides à base d’isoprène
L’autre classe de molécules lipidiques, basée sur une structure ramifiée à cinq carbones appelée isoprène, a été identifiée pour la première fois par distillation à la vapeur d’eau de matières végétales. Les extraits sont appelés « huiles essentielles ». Elles sont souvent odorantes et sont utilisées comme médicaments, épices et parfums. Une grande variété de structures est obtenue par la fusion d’unités monomères d’isoprène, conduisant à un ensemble très diversifié de composés, notamment des terpènes, tels que le β- carotène, le pinène (térébenthine) et la carvone (huile de menthe verte) ; et des stéroïdes, tels que la testostérone, le cholestérol et les œstrogènes .
Organisation des lipides
« Comme l’huile et l’eau » est un dicton basé sur l’interaction minimale des lipides avec l’eau. Bien que ce dicton soit approprié pour les lipides à base d’isoprène et les lipides volumineux à base d’acides gras tels que les cires et les triglycérides, il ne l’est pas pour tous les lipides (par exemple, il ne s’applique pas aux substances composées d’acides gras ou de diacylglycérides).
Les acides gras et les diacylglycérides sont souvent amphipathiques, c’est-à-dire que la « tête » de l’acide carboxylique est hydrophile et la « queue » de l’hydrocarbure est hydrophobe. Lorsqu’un acide gras ou un triglycéride est placé dans l’eau, il se forme des structures qui maximisent les interactions des têtes hydrophiles avec l’eau et minimisent les interactions des queues hydrophobes avec l’eau. À de faibles concentrations de lipides, une monocouche se forme, les têtes hydrophiles s’associant aux molécules d’eau et les queues hydrophobes » pointant » droit dans l’air (voir figure 2).
Lorsque la concentration de lipide augmente, la surface disponible pour la formation de la monocouche est réduite, ce qui conduit à la formation de structures alternatives (selon le lipide particulier et la condition). Les composés qui ont un groupe de tête relativement important et un petit groupe de queue, comme les acides gras et les détergents, forment des structures sphériques appelées micelles. La concentration de lipide nécessaire à la formation de micelles est appelée concentration critique de micelles (CMC). D’autres molécules hydrophobes, telles que les molécules à l’intérieur des saletés, les triacylglycérides et d’autres grandes molécules organiques, s’associent à la partie hydrophobe de la queue d’une micelle.
Les composés qui ont des têtes et des queues de taille à peu près égale ont tendance à former des bicouches au lieu de micelles. Dans ces structures, deux monocouches de molécules lipidiques s’associent queue à queue, minimisant ainsi le contact des portions hydrophobes avec l’eau et maximisant les interactions hydrophiles. Les molécules lipidiques peuvent se déplacer latéralement (au sein d’une seule couche de la bicouche, appelée feuillet), mais le déplacement d’un feuillet vers le feuillet opposé est beaucoup plus difficile.
H 2 CO : 2(l) + 4 + 6 = 12
Souvent, ces feuillets bicouches peuvent s’enrouler de manière à former des structures sphériques, appelées vésicules ou liposomes (selon leur taille). Plusieurs nouveaux traitements anticancéreux sont basés sur l’emballage de chimiothérapies
agents à l’intérieur des liposomes, puis en dirigeant les liposomes vers un tissu cible spécifique.
Les lipides peuvent également former des structures en conjonction avec diverses protéines. Une membrane cellulaire est constituée d’une bicouche lipidique qui contient une variété de protéines qui soit traversent la bicouche, soit sont associées de manière plus lâche à la bicouche. Le cholestérol peut s’insérer dans la bicouche, ce qui permet de réguler la fluidité de la membrane.
Une variété de complexes lipides-protéines sont utilisés dans l’organisme pour transporter des lipides relativement insolubles dans l’eau, tels que les triglycérides et le cholestérol, dans le sang circulant. Ces complexes sont communément appelés lipoprotéines ; ils contiennent à la fois des protéines et des lipides en concentrations variables. La densité de ces lipoprotéines dépend des quantités relatives de protéines, car les lipides sont moins denses que les protéines. Les lipoprotéines de faible densité, ou LDL, ont un rapport lipides/protéines relativement plus élevé. Les LDL servent à transporter le cholestérol et les triglycérides du foie vers les tissus. En revanche, les
lipoprotéines, ou HDL, ont un ratio relativement plus faible de lipides par rapport aux protéines et sont utilisées dans l’élimination du cholestérol et des graisses des tissus.
Fonctions des lipides
Les lipides accomplissent une variété de tâches dans les systèmes biologiques. Les terpènes, les stéroïdes et les eicosanoïdes agissent comme des molécules de communication, soit avec d’autres organismes, soit avec d’autres cellules du même organisme. Les atomes de carbone fortement réduits des triglycérides contribuent à faire des graisses un composé de stockage d’énergie idéal.
Certaines des fonctions des lipides sont liées aux structures qu’ils forment. La formation de micelles caractéristique des acides gras, des détergents et des savons en solution aqueuse aide à dissoudre la saleté et d’autres matériaux hydrophobes. Les bicouches lipidiques jouent de nombreux rôles essentiels. Les liposomes sont utilisés pour délivrer des médicaments aux tissus désirés. Une membrane cellulaire, en raison de son noyau hydrophobe, constitue une barrière importante au passage des ions, permettant à l’intérieur de la cellule d’avoir des concentrations d’ions différentes de celles de l’environnement extracellulaire. Les bicouches sont de bons isolants électriques et contribuent à la transmission de l’influx nerveux le long des parties conductrices des fibres nerveuses. L’importance des lipides dans la fonction neuronale se manifeste dans les maladies où ces isolants sont perdus, comme la sclérose en plaques, ou mal entretenus, comme la maladie de Tay-Sachs.
Bien qu’ils constituent un assortiment de composés chimiquement divers, les lipides partagent un certain nombre de propriétés. La nature amphipathique des molécules lipidiques favorise la formation de structures plus complexes comme les micelles, les bicouches et les liposomes. Ces structures, ainsi que les substances lipidiques elles-mêmes, affectent tous les aspects de la biologie cellulaire.