Syllabus Sciences du vivant 2024-2025

W1010 Pont vers le supérieur 1 Partie Sciences du vivant HANNAERT Véronique Département Coaching sportif, Wellness et activités physiques différenciées 2024-2025 Haute École Léonard de Vinci - Place de l'Alma, 3 bte 3 - 1200 Bruxelles ...

W1010 Pont vers le supérieur 1 Partie Sciences du vivant HANNAERT Véronique Département Coaching sportif, Wellness et activités physiques différenciées 2024-2025 Haute École Léonard de Vinci - Place de l'Alma, 3 bte 3 - 1200 Bruxelles  Table des matières CHAPITRE 1 : LES NIVEAUX D’ORGANISATION DU CORPS HUMAIN..................................... 4 CHAPITRE 2 : NOTIONS DE CHIMIE...................................................................................... 6 I. Les éléments............................................................................................................................ 6 II. L’atome................................................................................................................................... 9 1. La structure de l’atome.............................................................................................................................. 9 2. Identification des éléments..................................................................................................................... 10 3. Les isotopes............................................................................................................................................. 11 4. L’arrangement des électrons................................................................................................................... 13 III. L’ion..................................................................................................................................... 15 IV. Les molécules....................................................................................................................... 17 V. Les réactions chimiques........................................................................................................ 18 1. Les équations chimiques.......................................................................................................................... 18 2. Les réactions élémentaires...................................................................................................................... 19 3. Variations de l’énergie au cours des réactions chimiques....................................................................... 19 CHAPITRE 3 : LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE VIVANTE.............................................. 21 I. Les molécules inorganiques.................................................................................................... 21 1. L’eau........................................................................................................................................................ 21 2. Les sels..................................................................................................................................................... 22 3. Les acides et les bases............................................................................................................................. 23 II. Les molécules organiques caractéristiques de la matière vivante.......................................... 26 1. Les glucides.............................................................................................................................................. 26 2. Les lipides................................................................................................................................................. 30 3. Les protéines............................................................................................................................................ 38 4. Les acides nucléiques............................................................................................................................... 44 5. Les vitamines........................................................................................................................................... 48 CHAPITRE 4 : LES CELLULES............................................................................................... 51 I. Vue d’ensemble de la cellule.................................................................................................. 51 II. La membrane plasmique....................................................................................................... 51 1. La structure des membranes................................................................................................................... 51 2. Les rôles des membranes........................................................................................................................ 54 2  III. Les transports membranaires............................................................................................... 55 1. Transports passifs à travers la membrane............................................................................................... 55 2. Transports actifs à travers la membrane................................................................................................. 62 IV. La structure de la cellule...................................................................................................... 65 1. Le noyau................................................................................................................................................... 65 2. Les organites............................................................................................................................................ 65 3. Les inclusions........................................................................................................................................... 68 V. La division des cellules.......................................................................................................... 69 1. Vue d’ensemble de la mitose................................................................................................................... 69 2. Vue d’ensemble de la méiose.................................................................................................................. 71 CHAPITRE 5 : LA NUTRITION ET L’UTILISATION DES NUTRIMENTS..................................... 72 I. La transformation des aliments en nutriments....................................................................... 72 1. L'anatomie du tube digestif..................................................................................................................... 72 2. La digestion mécanique et chimique des aliments.................................................................................. 73 3. L'absorption des nutriments.................................................................................................................... 74 II. Le transport des nutriments vers les cellules......................................................................... 75 III. L'utilisation des nutriments par les cellules.......................................................................... 77 1. L’utilisation des nutriments par les cellules............................................................................................. 77 2. Exemple : la production d'énergie dans les cellules : la respiration cellulaire......................................... 80 3. Un exemple de renouvellement de molécules : celui des protéines....................................................... 81 CHAPITRE 6 : LES TISSUS................................................................................................... 82 CHAPITRE 7 : LES SYSTEMES.............................................................................................. 84 I. Les systèmes de l’organisme et leurs principales fonctions..................................................... 84 II. L’homéostasie....................................................................................................................... 85 1. Description de l’homéostasie.................................................................................................................. 85 2. Mécanismes de régulation de l’homéostasie.......................................................................................... 86 3. Applications............................................................................................................................................. 91 4. La thermorégulation................................................................................................................................ 93 3  CHAPITRE 1 : LES NIVEAUX D’ORGANISATION DU CORPS HUMAIN L’organisation de la vie s’établit sur des niveaux emboîtés. Chacun de ceux-ci présente la particularité de posséder des propriétés nouvelles, qui lui sont propres et qui ne correspondent pas uniquement à la somme des propriétés des niveaux inférieurs qui le constituent. Nous allons les énumérer successivement par ordre de complexité croissante : 1. Les atomes : l’atome est le constituant fondamental de la matière. C’est la plus petite partie d’un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. De nos jours, les chimistes reconnaissent 92 atomes naturels, dont 26 sont essentiels à la vie. Les 4 atomes les plus abondants dans les organismes vivants sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote. D’autres éléments sont moins abondants et représentent entre 0,1 et 2% de la masse corporelle humaine : le calcium, le phosphore, le potassium, le soufre, le sodium, le chlore, le magnésium, l’iode et le fer. Enfin, les derniers éléments présents dans la matière vivante ne s’y retrouvent qu’en traces ; ce sont les oligoéléments parmi lesquels figurent le chrome, le cobalt, le cuivre, le fluor, le manganèse…. 2. Les molécules : sont des groupes d’atomes associés par des liaisons chimiques. Les molécules organiques (du vivant) possèdent des atomes de carbone. Cet atome a pour particularité de pouvoir former avec lui-même de longues chaînes stables et très diversifiées. Il peut également s’unir aisément à d’autres atomes dont les plus fréquents sont l’hydrogène, l’oxygène et l’azote. Les molécules organiques relevant de la biologie ont été classées en diverses familles : les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. L’eau, bien qu’elle soit une molécule inorganique, est aussi un composé indispensable à la vie. Chez l’humain elle constitue environ, en fonction de l’âge et du sexe, 60% du poids corporel. 3. Les organites : sont des structures fonctionnelles formées de nombreuses molécules. Les organites principaux d’une cellule humaine sont le réticulum endoplasmique, les ribosomes, l’appareil de Golgi, les lysosomes, les mitochondries, les constituants du cytosquelette et les vésicules. 4. Les cellules : les organites sont intégrés dans des unités délimitées par une membrane, dénommées cellules. La cellule est l’unité de base de la vie : c’est le premier niveau de la hiérarchie structurale du monde vivant où se manifestent toutes les caractéristiques de la vie. Les organismes les plus simples sont unicellulaires, composés d’une seule cellule. C’est le cas 4 par exemple des bactéries. Tous les animaux et végétaux, de même que la plupart des champignons sont cependant pluricellulaires. 5. Les tissus : dans la plupart des organismes pluricellulaires, des cellules se spécialisent plus ou moins fortement et acquièrent des propriétés non partagées par l’ensemble des cellules de l’organisme. Les cellules ayant des caractères morphologiques et fonctionnels communs se regroupent en tissus. Un tissu est donc un assemblage organisé de cellules partageant des caractères morphologiques et fonctionnels communs. Chez l’humain, il existe 4 types de tissus primaires : le tissu épithélial, le tissu conjonctif, le tissu musculaire et le tissu nerveux. 6. Les organes : plusieurs tissus différents sont à leur tour regroupés en organes pour la réalisation d’une fonction complexe. Notre cerveau, par exemple, est un organe constitué de cellules nerveuses et de divers tissus associés qui forment des recouvrements protecteurs et des cellules sanguines. 7. Les systèmes : regroupent différents organes ayant chacun une tâche spécifique qui s’assemblent pour fonctionner de manière coordonnée. L’humain est constitué de 12 systèmes interdépendants : le système cardiovasculaire, digestif, respiratoire, reproducteur, urinaire, tégumentaire, squelettique, musculaire, nerveux, endocrinien, lymphatique et immunitaire. 8. L’organisme : tous les organes s’associent pour former un être vivant coordonné au sein duquel toutes les fonctions nécessaires à la vie sont assurées en harmonie. 5  CHAPITRE 2 : NOTIONS DE CHIMIE Une cellule (la plus petite entité vivante) se compose d'eau, d'ions inorganiques et de composés organiques, ces derniers allant des plus petites molécules (glucose, urée) jusqu'aux macromolécules (protéines, acides nucléiques). L'eau est prédominante puisqu'elle représente au moins 70% de la masse totale d'une cellule. Les ions inorganiques (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, HPO42-, Cl-, HCO3- ) ne constituent pas plus de 1% de la masse cellulaire. Les substances organiques sont les plus caractéristiques des êtres vivants. Elles peuvent être classées en quatre groupes : les glucides (hydrates de carbone ou "sucres"), les lipides ("graisses"), les protéines et les acides nucléiques. I. Les éléments Toute substance de l’univers qui possède une masse et occupe un volume est appelée matière. Toute matière est composée de substances fondamentales appelées éléments. Il est impossible de dégrader les éléments en substances plus simples au moyen de méthodes chimiques ordinaires. L’oxygène, le carbone, l’or, l’argent, le cuivre et le fer sont des éléments bien connus. On connaît actuellement 118 éléments, dont 92 sont présents dans la nature. Les autres, qui sont produits artificiellement à l’aide d’accélérateurs de particules, ont une durée de vie très brève. Vingt-six éléments naturels sont normalement présents dans le corps humain. De ce nombre, quatre seulement -l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H) et l'azote (N)- constituent environ 96% de la masse corporelle. Ce sont les éléments majeurs. Huit autres - le calcium (Ca), le phosphore (P), le potassium (K), le soufre (S), le sodium (Na), le chlore (Cl), le magnésium (Mg) et le fer (Fe) - constituent les éléments mineurs et comptent pour environ 3,6% de la masse corporelle. D'autres éléments, appelés oligoéléments sont présents dans de très faibles concentrations dans l'organisme (0,4%). Par exemple, l'iode (I) est nécessaire à la production de l'hormone thyroïdienne. Le tableau suivant donne une liste des éléments qui composent la majeure partie de l'organisme : 6  % de la Élément chimique masse Importance corporelle totale ELEMENTS Environ MAJEURS 96% Oxygène (O) 65,0 Constituant de l'eau et de nombreuses molécules organiques. Essentiel à la production d'ATP (molécule dans laquelle les cellules emmagasinent temporairement de l'énergie chimique) Carbone (C) 18,5 Forme les chaînes et les structures cycliques du squelette de toutes les molécules organiques : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques. Hydrogène (H) 9,5 Constituant de l'eau et de nombreuses molécules organiques. Sous forme d'ion H+ rend les liquides de l'organisme plus acides. Azote (N) 3,2 Présent dans toutes les protéines et les acides nucléiques. ELEMENTS Environ MINEURS 3,6% Calcium (Ca) 1,5 Contribue à la solidité des os et des dents. Sous forme d'ion (Ca2+) nécessaire à la coagulation du sang, à la transmission des influx nerveux, à la contraction des muscles.... Phosphore (P) 1,0 Présent dans les acides nucléiques et l'ATP. Nécessaire à la structure des os et des dents. 7 Potassium (K) 0,35 L'ion K+ est le cation le plus abondant dans le liquide intracellulaire. Nécessaire à la transmission de l'influx nerveux. Soufre (S) 0,25 Présent dans certaines vitamines et de nombreuses protéines. Sodium (Na) 0,2 L'ion Na+ est le cation le plus abondant dans le liquide extracellulaire. Essentiel au maintien de l'équilibre hydrique. Nécessaire à la transmission de l'influx nerveux. Chlore (Cl) 0,2 L'ion Cl- est l'anion le plus abondant dans le liquide extracellulaire. Essentiel au maintien de l'équilibre hydrique. Magnésium (Mg) 0,1 L'ion Mg2+ contribue à l'activité de nombreuses enzymes, molécules qui accélèrent les réactions chimiques dans les organismes. Fer (Fe) 0,005 Les ions Fe2+ et Fe3+ sont les constituants de l'hémoglobine (protéine transportant les molécules d'oxygène dans le sang) et de certaines enzymes. OLIGOELEMENTS Environ Aluminium (Al), bore (B), chrome (Cr), cobalt 0,4% (Co), cuivre (Cu), fluor (F), iode (I), manganèse (Mn), molybdène (Mo), sélénium (Se), silicium (Si), étain (Sn), vanadium (V) et zinc (Zn) 8 II. L’atome Chaque élément se compose d’un ensemble de particules plus ou moins identiques appelés les atomes. Les atomes d’un élément donné diffèrent des atomes de tous les autres éléments, et confèrent à cet élément les propriétés physiques et chimiques qui le caractérisent. Les propriétés physiques sont celles que nous pouvons détecter par nos sens (comme la couleur et la texture) ou mesurer à l’aide d’instruments (comme le point d’ébullition ou de congélation). Les propriétés chimiques reflètent la façon dont les atomes interagissent les uns avec les autres (en formant des liaisons par exemple) et permettent d’expliquer pourquoi le fer rouille, l’essence brûle, les animaux peuvent digérer les aliments…. 1. La structure de l’atome Les atomes ont la même structure générale. Ils sont formés par l’association de 3 particules : - Les protons (p+) et les neutrons (n0) sont regroupés de manière compacte au centre de l’atome dans un noyau extrêmement dense, le noyau atomique. C’est la raison pour laquelle on désigne également les protons et les neutrons sous le terme de nucléons. - Les électrons (e-) qui gravitent à grande vitesse autour du noyau, forment un nuage électronique. Modèle de Bohr de l’atome de carbone Ces particules se définissent en fonction de deux critères : leur charge électrique et leur masse. Les protons ont une charge positive, les électrons ont une charge négative, les neutrons ne portent pas de charge électrique. Les protons et les neutrons ont chacun une masse (1 unité de masse atomique) alors que celle des électrons est négligeable. L’atome est électriquement neutre : il y a autant d’électrons autour du noyau que de protons dans celui-ci. 9 2. Identification des éléments Tous les protons sont identiques, quel que soit l’atome dont ils font partie. Cela est également vrai pour tous les neutrons et tous les électrons. Alors, pourquoi les éléments ont-ils tous des propriétés différentes ? Parce que les atomes des différents éléments sont composés d’un nombre différent de protons, de neutrons et d’électrons et c’est ce qui détermine les propriétés physiques et chimiques de chaque élément. L’hydrogène, qui est l’atome le plus simple et le plus petit, possède 1 proton, 1 électron et 0 neutron. L’atome d’hélium est un peu plus gros avec 2 protons, 2 neutrons et 2 électrons. Puis vient le lithium avec 3 protons, 4 neutrons et 3 électrons…. On caractérise un élément donné par son numéro atomique et son nombre de masse. Le numéro atomique (Z) équivaut au nombre de protons du noyau et est caractéristique de l’élément. L’hydrogène, qui possède 1 proton, a un numéro atomique de 1 ; l’hélium, avec 2 protons, a donc un numéro atomique de 2, et ainsi de suite. Puisque, dans un atome, le nombre de protons équivaut toujours au nombre d’électrons, le numéro atomique permet aussi de connaître indirectement le nombre d’électrons de l’élément en question. Attention : c’est nombre de protons d’un atome (= numéro atomique) détermine sa nature chimique et ainsi de quel élément il s’agit. Exemple : un atome qui a 8 protons est un atome d’oxygène. La nombre de masse (A) (ou masse atomique) est la somme des protons et des neutrons (nucléons) du noyau. Généralement, on représente un atome en indiquant : - en indice à gauche son numéro atomique Z - en exposant à gauche son nombre de masse A 10 Exemple : 𝟑𝟓 𝟏𝟕𝐂𝐥 Numéro atomique Z = 17 17 protons et 17 électrons Nombre de masse A = 35 35 (protons + neutrons), soit 18 neutrons Chaque élément est désigné par : - Un nom : exemples : Hydrogène, Sodium, Chlore. - Une abréviation internationale de ce nom (une ou deux lettres), le symbole chimique : exemples : H, Na, Cl. 3. Les isotopes Les atomes d'un élément chimique comportant un nombre différent de neutrons sont des isotopes de cet élément. Tous les isotopes de l'hydrogène ont un proton et un électron et ont zéro, un ou deux neutrons. Ce sont l'hydrogène léger (le plus répandu), l'hydrogène lourd ou deutérium, et le tritium. 𝟏 𝟐 𝟑 𝟏𝐇 𝟏𝐇 𝟏𝐇 Hydrogène léger Deutérium Tritium Tous les isotopes du carbone ont 6 électrons et 6 protons. Les principaux ont 6, 7 ou 8 neutrons. Un atome est appelé par le nom de son élément chimique suivi du nombre de ses nucléons : carbone-12, carbone-13 et carbone-14. 𝟏𝟐 𝟏𝟑 𝟏𝟒 𝟔𝐂 𝟔𝐂 𝟔𝐂 La plupart des éléments existent dans la nature sous forme de mélange d’isotopes. 11 Les propriétés chimiques d'un atome dépendent du nombre et de la disposition des électrons dans son nuage électronique. Ainsi, tous les isotopes d'un même élément chimique ont les mêmes propriétés chimiques. La légère différence de masse de leur noyau fait que leurs propriétés physiques se différencient quelque peu. Certains isotopes sont stables et demeurent identiques à eux-mêmes au cours du temps, tandis que certains sont instables et ont tendance à se désintégrer spontanément en émettant alors des radiations. Ce sont des isotopes radioactifs ou radio-isotopes. Cette décomposition s’appelle la radioactivité. 3.1. Les isotopes radioactifs Les isotopes radioactifs sont importants en biologie et en médecine car ils émettent de l’énergie sous forme de rayonnements qui peuvent être exploités à différentes fins. La période ou demi-vie d’un élément est le temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité de départ de cet élément disparaisse. Si on a 20 grammes de carbone-14 au départ, il faudra attendre environ 5730 ans pour n'en avoir plus que 10 grammes. La période du carbone-14 est donc de 5730 ans. 3.2. Les applications médicales de isotopes radioactifs Les isotopes radioactifs sont utilisés en médecine nucléaire à des fins diagnostiques (dosages ultraprécis, scintigraphies…) et à des fins thérapeutiques (radiothérapie). Les traceurs radioactifs Les traceurs sont généralement des produits radiopharmaceutiques qui incorporent dans leur formule un atome dont le noyau est radioactif, un marqueur. C'est l'émission par cet atome d'un rayonnement qui permet de suivre à la trace le parcours dans le vivant de ce traceur. Il arrive que le traceur se réduise à un atome radioactif. C'est le cas des gaz nobles utilisés pour les scintigraphies pulmonaires : krypton-81 ou xénon-133. A l'opposé, le marqueur peut être attaché à une molécule. Cette méthode consiste à remplacer dans une molécule un ou plusieurs atome(s) stable(s) par un de leurs isotopes radioactifs. La molécule est alors marquée, et on peut la suivre dans les processus physiques et chimiques auxquels elle participe. L'activité d'un organe ou d'une cellule se manifeste souvent par sa capacité à synthétiser une hormone ou une molécule spécifique. Par exemple, les globules rouges synthétisent l'hémoglobine qui renferme du fer ; la thyroïde synthétise de la thyroglobuline qui contient de l’iode. L'emploi d'un isotope radioactif permet dès lors d'obtenir des images des différentes régions d'un organe et d'en connaître avec précision l'activité. Ainsi, 12 par exemple, l'iode 123 et 131 permet d’évaluer la taille et l'activité de la glande thyroïde et à détecter le cancer qui touche cette glande, tandis que l'iode 123 est employé pour contrôler l'activité cérébrale. Citons encore le technétium 99 qui est le radioisotope le plus utilisé en diagnostic. Les radio-isotopes que l’on utilise à des fins de diagnostics ont évidemment des demi-vies très courtes. Par exemple, celle du technétium 99 est de 6h. La radiothérapie L'effet bénéfique des rayonnements sur les tumeurs cancéreuses est établi depuis plusieurs années déjà. Aujourd'hui, les radio-isotopes artificiels, qui ont remplacés le radium initialement utilisé, sont employés sous deux formes : le traitement externe et la radiothérapie interstitielle. - Le traitement externe Dans le traitement externe, c’est le cobalt 60 qui est utilisé pour ses nombreux avantages par rapport au radium. Ses radiations sont moins énergétiques que celles du radium. Le cobalt 60 est d'usinage facile et sa production est peu coûteuse. - La radiothérapie interstitielle La radiothérapie interstitielle consiste à placer le radioélément à l'intérieur même de la tumeur, soit par l’intermédiaire d’implants, soit par l’utilisation de radio-isotopes spécifiques au tissu malade. Cette dernière méthode donne de bons résultats dans deux cas surtout : 1. l’irradiation des tissus en croissance trop rapide (en particulier, la moelle osseuse dans les polyglobulies essentielles) avec du phosphore radioactif. 2. le traitement des hyperthyroïdies et des cancers de la thyroïde, au moyen d'iode radioactif. C’est aussi le cobalt 60 que l’on utilise pour la stérilisation du matériel médical et la conservation de certains aliments. 4. L’arrangement des électrons Nous savons déjà que les électrons "voyagent" autour du noyau. Ils gravitent sur des trajectoires appelées orbitales. Les orbitales ne sont pas situées à n'importe quelle distance du noyau ; elles sont organisées en couches électroniques correspondant chacune à un niveau d'énergie. Il y a 7 couches électroniques nommées par les lettres K, L, M, N, O, P et Q. 13 Les électrons se répartissent dans ces couches selon deux règles : - Les électrons remplissent en priorité les couches les plus proches du noyau, c'est-à-dire celles qui correspondent au niveau d'énergie le plus bas donc le plus stable. - Il existe une limite stricte du nombre d’électrons qui peuvent occuper une couche électronique donnée. Le nombre maximum d’électrons par couche est de : K = 2 ; L = 8 ; M = 18 ; N = 32 ; O = 32 ; P = 18 ; Q = 8. (Les atomes ayant plus de 4 couches sont très rares dans les molécules biologiques) Le tableau périodique des éléments comporte : - 18 colonnes appelées les familles pour rappeler la similitude de propriétés des éléments y figurant. Elles sont désignées de gauche à droite par un numéro de 1 à 18 ou par des chiffres romains suivis du symbole a ou b. Les éléments d'une même famille ont le même nombre d'électrons sur la dernière couche : les éléments de la famille Ia ont 1 électron sur la dernière couche, les éléments de la famille IIa, 2 électrons.... Le tableau périodique comporte 8 familles b, situées entre les familles IIa et IIIa, numérotées de Ib à VIIIb. Les éléments de transition qui composent ces familles sont aussi groupés suivant leurs similitudes de propriétés. Le numéro de ces familles b rappelle qu'ils ont quelques propriétés analogues aux éléments de même numéro dans les familles a. - 7 lignes horizontales appelées les périodes. Le numéro de la période correspond aux nombres de couches électroniques occupées. Chaque élément chimique va être positionné dans le tableau périodique en fonction d’une période et d’une famille. Le nombre d’électrons sur la couche électronique la plus périphérique, appelés également électrons de valence, est déterminant dans le comportement chimique des éléments. Les gaz rares comme le néon ou l'argon, qui ne réagissent pas ou peu avec les autres éléments, ont tous 8 électrons sur leur dernière couche. La présence de 8 électrons sur cette dernière couche représente l’état de stabilité souhaitable pour les éléments. 14 L’état de stabilité des gaz rares va être recherché par tous les autres atomes. Ils vont donc tenter d’obtenir une couche périphérique contenant 8 électrons (règle de l’octet). Pour réaliser cet équilibre, ils peuvent - soit perdre des électrons (s’ils ont peu d’électrons sur leur couche externe) et former des ions positifs - soit gagner des électrons (s’il ne leur manque que peu d’électrons sur la couche externe pour atteindre le nombre de 8) et former des ions négatifs - soit partager des électrons avec d'autres atomes pour former des molécules. III. L’ion Les atomes qui possèdent seulement un ou deux électrons en plus d’une couche électronique complète ou qui manquent seulement d’un ou deux électrons pour posséder une couche externe complète sont les plus susceptibles de former des ions. Exemples : - L’atome de sodium (Na) : 11 électrons 15 - L’atome de chlore (Cl) : 17 électrons Quand un atome de Na et un atome de Cl se rencontrent, un électron passe de l’atome de Na à l’atome de Cl et tous deux voient leur couche externe saturée à 8 électrons, situation très stable. Na+ Cl- Ce transfert s’accompagne d’un déséquilibre de charges pour chacun des deux atomes. Ils ne sont plus électriquement neutres. Le Na possède un électron de moins qu’il n’a de protons dans son noyau. Il porte donc une charge positive. L’atome de sodium est devenu un ion sodium symbolisé Na+. L’atome de chlore est devenu l’ion Cl-. Ion est le nom donné aux atomes chargés. Les ions positifs sont également appelés cations, les ions négatifs, anions. Na+ et Cl- sont des ions importants dans l’organisme humain mais ils ne sont pas les seuls. K+ se forme par le transfert d’un seul électron vers un autre atome. Les atomes de calcium et de magnésium possèdent 2 électrons sur la couche externe et forment donc les cations Ca2+ et Mg2+. Les ions de charges opposées vont s'attirer mutuellement par interaction électrostatique en formant ce que l'on appelle la liaison ionique. 16 Exemple : le chlorure de sodium (Na+Cl-) Dans les conditions normales, le chlorure de sodium est un solide. Dans le cristal de NaCl, chaque ion s’entoure d’ions de signe opposé. Il se forme un réseau cristallin. Dans le corps humain, les liaisons ioniques se trouvent principalement dans les dents et les os, où elles confèrent une grande solidité aux tissus. Dans l'eau, les forces électrostatiques sont brisées par les molécules d’H2O, ce qui explique que la plupart des molécules ioniques se dissocient en ions individuels (comme Na+ et Cl-) dans les liquides de l'organisme. Un composé ionique qui se dissocie en cations et anions dans une solution est appelé électrolyte parce que la solution peut conduire l'électricité. Les électrolytes assurent de nombreuses fonctions importantes dans l'organisme : ils sont essentiels à la régulation des mouvements d'eau dans le corps, au maintien de l'équilibre acidobasique et à la production des influx nerveux. IV. Les molécules Lorsque les électrons sont partagés entre les atomes au lieu d’être transférés, il se forme une liaison covalente. Les électrons mis en commun forment une paire (ou doublet) qui appartient à la couche externe de chacun des atomes ce qui permet à ces derniers de compléter cette couche et d’atteindre une meilleure stabilité. Considérons la formation de la molécule de dihydrogène H2. Le fait que deux atomes d’hydrogène s’unissent pour former une molécule de dihydrogène signifie que la molécule est plus stable que les atomes isolés. Cette stabilité est la conséquence de la mise en commun d’une paire d’électrons. Grâce à cette mise en commun d’électrons, les 2 atomes d’hydrogène ont, dans la molécule, la configuration électronique stable du gaz rare hélium. Plusieurs représentations peuvent être envisagées : 17  signifie que la molécule est plus stable que les atomes isolés. Cette stabilité est la conséquence de la mise en commun d’une paire d’électrons. Grâce à cette mise en commun d’électrons, les 2 atomes d’hydrogène ont, dans la molécule, la configuration électronique stable du gaz rare hélium. Plusieurs représentations peuvent être envisagées : Lorsque la liaison implique des atomes contenant plusieurs électrons, seuls les électrons de la19 Lorsque la liaison implique des atomes contenant plusieurs électrons, seuls les électrons de couche la couche externe, externe, lesles électrons électrons dede valence, valence, participent participent à la à la liaison liaison : : La liaison covalente peut aussi unir des atomes différents et se réaliser par la mise en communCertains atomes de deux (comme ou trois O,d’électrons paires N et C, si importants : dans nos cellules) peuvent former plus d’une liaison covalente. Ces atomes forment des liaisons covalentes avec autant d’autres atomes qu’il le faut pour atteindre une couche externe complète. Exemples : une molécule d’eau = H2O : 2 atomes d’hydrogène associés à 1 atome d’oxygène ; une molécule de glucose = C6H12O6 : 6 carbones associés à 12 hydrogène et 6 oxygène. Dans V. uneLes réactions liaison chimiques covalente normale, les 2 atomes liés apportent chacun 1 ou plusieurs électrons non appariés. Deux tendances s’observent toujours : 1. Les équations 1. chimiques Formation d’un octet d’électrons périphériques. Les réactions2.chimiques sont des Appariement formations, d’électrons réorganisations ou ruptures de liaisons entre célibataires. atomes. On représente habituellement les réactions chimiques sous forme d’équations chimiques. Liaison covalente normale Lorsque les électrons sont partagés aAde+manière bB ®égale cC entre + dDles deux atomes, on parle de liaison covalente normale. Réactifs Produits Exemple : 2 H 2 + O2 ® 2 H2 O Les molécules présentes avant la réaction sont appelées réactifs, celles présentes après sont les produits. La flèche indique dans quelle direction se déroule la réaction. Le chiffre noté avant chaque symbole désigne un nombre de molécules ou d’atomes non liés Liaison covalente chimiquement, polaire le chiffre noté en indice le nombre d’atomes liés par liaisons chimiques. Dans une liaison covalente unissant deux atomes différents, le plus électronégatif des atomesUne équation attire équilibrée vers lui le nuageimplique la conservation électronique. La liaisonducovalente nombre total d’atomes est alors dite de chaque polaire. Si élément la avantd’électronégativité différence et après la réaction entre (loi deles Lavoisier). atomes est suffisamment importante, la déformation du nuage électronique peut aboutir au transfert d’électrons caractérisant la liaison ionique 18 2. Les réactions élémentaires La plupart des réactions chimiques se font selon l’un des trois modes suivants : synthèse, dégradation ou échange. Les réactions de synthèse impliquent que des atomes ou molécules se combinent pour former une molécule plus grosse et plus complexe. La réaction de synthèse entraîne toujours la formation de liaisons. Elles sont notées : A+B ® AB Les réactions de synthèse constituent la base des activités anaboliques au sein des cellules de l’organisme, au cours desquelles de nouvelles liaisons chimiques sont élaborées, permettant notamment le regroupement de petites molécules appelées acides aminés en grosses molécules de protéines. Les réactions de synthèse sont particulièrement importantes dans les tissus en croissance rapide. Les réactions de dégradation impliquent qu’une grosse molécule est fractionnée en molécules plus petites ou en atomes. Elles sont notées : AB ® A + B De par leurs caractéristiques, les réactions de dégradation sont l’inverse des réactions de synthèse, puisque les liens sont rompus, et constituent la base des processus cataboliques qui se produisent dans les cellules de l’organisme. Par exemple, la rupture des liaisons des molécules de glycogène libère des molécules de glucose, qui sont simples. Les réactions d’échange ou de substitution impliquent simultanément une synthèse et une dégradation. Elles sont caractérisées par la création et la rupture simultanées de liaisons. Dans une réaction d’échange, certaines des molécules réactives changent en quelque sorte de partenaire et forment ainsi des molécules différentes. Elles sont notées : AB + CD ® AD + CB C’est une réaction d’échange qui a lieu lorsque l’ATP réagit avec le glucose et lui cède son groupement phosphate terminal (P), produisant ainsi du glucose phosphate. Simultanément, l’ATP se transforme en ADP. 3. Variations de l’énergie au cours des réactions chimiques Comme toutes les liaisons chimiques représentent une certaine quantité d’énergie chimique, toutes les réactions s’accompagnent d’une absorption ou d’un dégagement net d’énergie. 19 Les réactions qui libèrent de l’énergie sont des réactions exothermiques ou réactions exergoniques ; leurs produits contiennent moins d’énergie que les réactifs de départ, mais l’énergie dégagée durant ces réactions peut être récupérée et servir à d’autres fins. Les réactions cataboliques sont en général exothermiques. Par contraste, les produits des réactions endothermiques ou réactions endergoniques (qui absorbent de l’énergie) contiennent dans leurs liaisons chimiques plus d’énergie que dans les réactifs. Les réactions anaboliques sont généralement endothermiques. Dans le corps, les réactions endothermiques sont habituellement couplées à des réactions exergoniques. Par exemple, l’énergie produite par la dégradation des molécules de combustible comme le glucose (réactions exothermiques) est emmagasinée dans les molécules d’ATP et utilisée plus tard pour la synthèse de molécules biologiques complexes (réactions endothermiques) nécessaires à la survie de l’organisme. 20  CHAPITRE 3 : LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE VIVANTE Dans l'organisme, les composés chimiques se divisent en deux grandes catégories : les composés inorganiques et les composés organiques. Les composés organiques contiennent du carbone et sont élaborés par des organismes vivants : on distingue les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Ils sont tous constitués de molécules formées par des liaisons covalentes ; bon nombre de ces molécules sont de très grande taille. Toutes les autres substances chimiques de l’organisme sont considérées comme des composés inorganiques et comprennent l’eau, des sels ainsi que de nombreux acides et bases. On définit généralement les composés inorganiques comme des substances dépourvues de carbone. Notez qu’il existe quelques exceptions à cette généralisation : ainsi, le dioxyde de carbone (CO2) et le monoxyde de carbone (CO), qui contiennent du carbone, sont considérés comme des composés inorganiques. Les composés organiques et inorganiques sont tout aussi essentiels à la vie les uns que les autres. I. Les molécules inorganiques 1. L’eau L'eau est la substance la plus abondante de notre environnement. Elle recouvre environ 3/4 de la surface terrestre, elle représente 60 à 80% du volume de la plupart des cellules vivantes et la plupart des réactions intracellulaires se déroulent en milieu aqueux. Le rôle capital de l'eau en biologie est dû à la fois à ses propriétés physiques et à ses propriétés chimiques. Ces propriétés, tout à fait remarquables, sont expliquées par la structure de la molécule d'eau. 1.1. Les propriétés de l’eau L’eau est vitale en raison de ses propriétés. En voici quelques-unes : Grande capacité thermique. L’eau a une forte capacité thermique, c’est-à-dire qu’elle absorbe ou dégage une grande quantité de chaleur avant que sa température change de façon importante. Cette propriété empêche les changements soudains de température associés à des facteurs externes, comme le soleil ou l’exposition au vent, ou relevant de processus internes, par suite de la libération d’une grande quantité de chaleur, comme cela survient au cours d’une activité musculaire intense. L’eau présente dans le sang distribue la chaleur parmi les tissus de l’organisme et contribue ainsi à l’homéostasie thermique. 21 Grande chaleur de vaporisation. Lorsqu’elle s’évapore ou se vaporise, l’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux (vapeur d’eau). Cette transformation résulte de la rupture de l’attraction qui retient ensemble les molécules d’eau. Or, pour rompre cette attraction, il faut fournir de grandes quantités de chaleur. Cette caractéristique présente un très grand avantage lorsque nous transpirons. Lorsque la sueur s’évapore à la surface de notre peau, de grandes quantités de chaleur quittent le corps, ce qui constitue un système de refroidissement très efficace. Polarité et qualités de solvant. L’eau est un solvant sans égal. On la qualifie de solvant universel. Les molécules biologiques ne sont chimiquement réactives que si elles sont en solution, et ce sont les propriétés de solvant de l’eau qui rendent possibles pratiquement toutes les réactions chimiques de notre organisme. L’eau forme également des couches d’hydratation (couches de molécules d’eau) autour des grosses molécules électriquement chargées, telles que les protéines, qui sont ainsi protégées de l’action des autres substances chargées présentes dans le milieu en leur permettant de demeurer en solution. De tels mélanges d’eau et de protéines sont appelés colloïdes biologiques. Le liquide cérébrospinal et le plasma sanguin sont des exemples de ces colloïdes. Grâce à ses qualités de solvant, l’eau constitue le principal milieu de transport de l’organisme. Les nutriments, les gaz respiratoires et les déchets métaboliques sont transportés dans l’ensemble de notre corps sous forme de solutés dans le plasma sanguin, et de nombreux déchets métaboliques sont excrétés dans l’urine, un autre liquide aqueux. L’eau est aussi le milieu de dissolution de certaines molécules spécialisées qui jouent le rôle de lubrifiants (par exemple, le mucus). Réactivité. L’eau est un réactif important de nombreuses réactions chimiques. Par exemple, les aliments (molécules complexes) sont décomposés en leurs constituants (molécules simples) par l’ajout d’une molécule d’eau sur chacune des liaisons qui doit être rompue. Amortissement. L’eau est incompressible, mais peut s’écouler. Ces propriétés lui permettent de former un coussin protecteur autour de certains organes, ce qui réduit ainsi le risque de lésions physiques. Le liquide cérébrospinal, qui entoure l’encéphale et la moelle épinière, illustre bien cette fonction protectrice exercée par l’eau. 2. Les sels Les sels sont des composés formés d’anions et de cations autres que H+ et OH-. Ils se dissolvent dans l’eau en se dissociant en leurs ions. Ce sont des électrolytes, ils peuvent donc conduire 22 des courants électriques. Cette propriété est importante pour la contraction musculaire et la conduction nerveuse par exemple. Exemples de sels communs dans l’organisme : - le chlorure de sodium : NaCl → Na+ + Cl- - le carbonate de calcium : CaCO3 → Ca2+ + CO32- - le chlorure de potassium : KCl → K+ + Cl- 3. Les acides et les bases 3.1. Notions d'acide et de base Comme les sels, les acides et les bases sont des électrolytes, c’est-à-dire qu’ils se dissocient dans l’eau. Lors de leur dissolution dans l'eau, les acides libèrent des ions hydrogène (H+) en quantités détectables et des anions. Comme un ion hydrogène n’est que le noyau d’un atome d’hydrogène c’est-à-dire un seul proton « nu », les acides sont également appelés « donneurs de protons ». C’est la concentration de protons qui détermine l’acidité d’une solution. Plus ils se dissocient complètement, plus ce sont des acides dits "forts". Exemple d’acide fort : l'acide chlorhydrique qui est sécrété par les cellules de l’estomac et intervient dans la digestion : HCl → H+ + Cl- Quand l’HCl est dissout dans de l’eau, il se dissocie complètement en H+ et Cl- ; il n’y a plus de molécule de « HCl ». Cette dissociation complète est notée par une simple flèche. Les acides qui se dissocient peu dans l’eau sont des acides "faibles". Exemple d’acide faible : l’acide carbonique : H2CO3 ↔ H+ + HCO3- Quand l’acide carbonique est dissout dans l’eau, il ne se dissocie pas complètement ; une partie reste sous forme non dissociée (H2CO3). On parle d’« équilibre chimique » qui est représenté par une double flèche. Le contraire d’un acide est une base. Les bases sont des "accepteurs de protons". Une base est donc une substance qui, en se dissolvant dans l’eau, réduit la concentration en H+ (notée [H+]) de la solution ou, ce qui est identique, augmente la concentration en OH- ([OH-]) de la solution car l'ion OH- se lie à un H+ pour former une molécule d'H2O. Plus elles se dissocient complètement et/ou plus elles captent des H+ et plus elles sont "fortes". 23 Exemple de base forte : l'hydroxyde de sodium NaOH → Na+ + OH- OH- + H+ → H2O Celles qui ne se dissocient pas complètement et/ou ne captent pas complètement des H+ sont "faibles". Exemple : l’ammoniac (NH3) qui est un déchet commun résultant de la dégradation des protéines, est une base. Lorsqu’il accepte un proton, l’ammoniac se transforme en ion ammonium (NH!" ). NH3 + H+ ↔ NH!" 3.2. Notion de pH Le pH (potentiel hydrogène) permet d’évaluer la concentration en protons ou ions hydrogène ([H+]) d’une solution. La [H+] des liquides biologiques a un impact important sur la vie et est donc un paramètre auquel on recourt fréquemment. Plus la solution contient des H+ libres et plus la solution est acide. Les acides forts se dissocient complètement, libèrent donc beaucoup d’H+ et rendent ainsi les solutions très acides. Inversement, plus la solution contient des OH- et/ou capte des H+, moins il y a de H+ et plus elle est basique ou alcaline. Les bases fortes captent beaucoup d’H+ ou libèrent beaucoup d’OH- qui captent des H+ et rendent donc les solutions très basiques. Étant donné que cette concentration en H+ se situe toujours entre 1 mol/L et 10-14 (0,00000000000001) mol/L, on utilise une expression plus pratique (mais plus abstraite !) pour parler de la [H+] : le pH, qui est par définition égal à : pH = -log[H+] Exemple : une solution aqueuse de HCl à 0,01 mol/L, complètement dissocié en H+ et Cl- [H+] = 10-2 mol/L et pH = -log10-2 = 2 L’échelle des pH va de 0 à 14. L’eau (H2O) distillée est neutre et a un pH = 7. En effet, l’eau pure est très faiblement dissociée : : H2O ↔ H+ + OH 24 L'eau liquide ne contient donc pas seulement des molécules d’H2O mais aussi une faible concentration d'ions H+ et une concentration égale d'ions OH-. La concentration en H+ et en OH- dans l’eau pure est de10-7 mol/L, d’où le pH de 7. Puisque dans l’eau pure la concentration de H+ est déjà de 10-7 mol/L, dans les solutions acides elle est donc supérieure à 10-7 mol/L. Les solutions acides ont un pH qui va de 6,9 à 0. Plus le pH est bas et plus la solution est acide. La concentration de H+ dans les solutions basiques est inférieure à 10-7mol/L. Les solutions basiques ont un pH qui va de 7,1 à 14. Plus le pH est haut et plus la solution est basique ou alcaline. Cette échelle de pH est illustrée dans la figure suivante, sur laquelle sont également indiquées les valeurs de pH de certaines solutions aqueuses bien connues. Les liquides extracellulaires de l’organisme sont légèrement alcalins (basiques) et possèdent généralement un pH de 7,4. Le sang artériel par exemple a un pH compris entre 7,35 et 7,45 (soit [H+] comprise entre 10-7,35 et 10-7,45 mol/L c'est-à-dire entre 44 et 36 nmol/L (1 nmol/L = 10-9 mol/L). A l’inverse, les liquides intracellulaires sont légèrement plus acides, entre 7,0 et 7,3. Les valeurs les plus extrêmes sont observées dans l'estomac (pH autour de 2) et dans l'intestin grêle (pH > 8). 25 Un point important est à retenir à propos de l'échelle de pH : comme il s'agit d'une échelle logarithmique, des petits changements dans le pH représentent de grands changements dans la concentration d'ions H+. Par exemple, un changement de pH de 7,4 à 7,1 signifie que la concentration en ions H+ a augmentée de 10-7,4 (= 40 nmol/L) à 10-7,1 (= 79 nmol/L), c'est-à- dire qu'elle a doublé pour un changement de pH de 0,3. II. Les molécules organiques caractéristiques de la matière vivante 1. Les glucides Les glucides représentent de 1 à 2% de la masse cellulaire. Ces composés contiennent du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène ; les atomes d’hydrogène et d’oxygène s’y retrouvent dans le rapport de 2 :1 comme dans l’eau. C’est pourquoi les glucides s’appelaient autrefois « hydrates de carbone » Les glucides sont encore appelés “sucres”. En sciences, on préfère le terme « glucides » qui détermine un groupe de composés des organismes vivants car le mot sucre fait généralement référence aux substances qui ont un goût sucré. Or, certains glucides n’ont pas de goût sucré alors que certaines substances au goût sucré ne sont pas des glucides (ex : l’aspartame, succédané de sucre le plus utilisé). Selon leur taille et leur solubilité, on classe les glucides en monosaccharides (« un sucre »), en disaccharides (« deux sucres ») ou en polysaccharides (« de nombreux sucres »). Les monosaccharides sont les unités de base de tous les autres glucides. En règle générale, plus la molécule de glucide est grosse, moins elle est soluble dans l’eau. 1.1. Les monosaccharides La plupart ont pour formule générale CnH2nOn. La plupart des monosaccharides que l'on retrouve chez les êtres vivants ont 5 ou 6 carbones : - Monosaccharides à 5 carbones (C5H10O5) = pentoses - Monosaccharides à 6 carbones (C6H12O6) = hexoses Les pentoses les plus courants dans l’organisme sont le ribose et le désoxyribose. On retrouve la plupart des pentoses dans les acides nucléiques (comme l'ADN par exemple). Les hexoses sont les monosaccharides les plus abondants. Les plus connus sont le glucose, le fructose et le galactose. Ces trois glucides ont pour formule C6H12O6. Mais ont des structures différentes. 26 Même si ces trois glucides vous paraissent "identiques", votre langue, elle, ne s'y trompe pas. Ils n'ont pas le même goût. Le glucose et le galactose goûtent beaucoup moins sucré que le fructose. On retrouve du glucose et du fructose dans la plupart des végétaux au goût sucré, ainsi que dans beaucoup d'aliments sucrés produits par l'industrie. Le galactose est présent dans le lait sous forme de lactose (voir disaccharides) et dans le miel. Le dosage du glucose est d’une grande importance en clinique car les altérations du métabolisme du glucose (ex : diabète) sont potentiellement dangereuses. Les techniques de dosage permettent de diagnostiquer mais aussi de suivre l’évolution de ces pathologies. Glucose sanguin = glycémie. Les valeurs normales à jeun se situent entre 0,7 g/L et 0,9 g/L Glucose dans l’urine = glucosurie. Normalement le glucose est réabsorbé par les reins et ne se trouve pas dans les urines. Cependant au-dessus d’une certaine concentration (vers 1,8 g/L) la capacité de réabsorption est débordée et le glucose passe dans les urines. Une glucosurie nette est donc le signe d’un diabète. 1.2. Les disaccharides Un disaccharide est un glucide formé de l’union de deux monosaccharides. Les disaccharides les plus courants sont : - Le saccharose (sucrose) : c’est le sucre de table extrait des betteraves ou des cannes à sucre. Il est formé de glucose et de fructose. Attention, le saccharose, ce n’est pas un mélange de glucose et de fructose, c’est une molécule faite de l’union d’un glucose à un fructose. - Le lactose (formé de galactose et de glucose) : c’est le sucre le plus abondant dans le lait. 27 - Le maltose (formé de 2 glucoses) : ce sucre est abondant dans le malt (le malt, c'est le nom que l'on donne aux grains d'orge germés utilisés pour faire de la bière). On en trouve aussi dans de nombreux végétaux. 1.3. Les polysaccharides Les polysaccharides sont des polymères de monosaccharides (le plus souvent du glucose). Comme ils sont de grosses molécules généralement peu solubles, les polysaccharides constituent un mode de stockage idéal dans l’organisme. Du fait de leur grande taille, ils n’ont pas le goût sucré des monosaccharides et des disaccharides. Les trois polysaccharides les plus connus sont l’amidon, le glycogène et la cellulose. Ce sont des polymères du glucose qui ne diffèrent que par leur degré de ramification. L'amidon est la forme sous laquelle les végétaux constituent des réserves de glucides. Le nombre d’unités de glucose présentes dans une molécule d’amidon est élevé (il peut atteindre plusieurs milliers) et variable. On retrouve de l'amidon surtout dans les racines, les graines et les fruits. L'amidon est particulièrement abondant dans les céréales (riz, blé, maïs,...) et les tubercules (pommes de terre). Le glycogène, est le glucide mis en réserve dans les tissus animaux, en particulier dans les muscles squelettiques et les cellules du foie où il est stocké dans des granules cytoplasmiques. Il s’agit d’une molécule très grosse et très ramifiée. Le fait que chaque ramification puisse être attaquée par une enzyme permet de libérer simultanément de nombreuses molécules de glucose en cas de besoin. Les muscles squelettiques utilisent directement le glycogène qu’ils avaient mis en réserve comme source d’énergie, tandis que les cellules du foie utilisent le glycogène stocké pour maintenir le taux de glucose sanguin (glycémie) et, ce faisant, permettre aux cellules de l’organisme d’obtenir le carburant nécessaire à leur fonctionnement. glu-glu-glu-glu-..... è glu+glu+glu+glu+....+glu dégradation du polymère (glycogénolyse). 28 Inversement, à la suite d’un repas riche en glucides, le sang risque de devenir dangereusement trop concentré en glucose (hyperglycémie). Les cellules (foie et muscles surtout) transforment ces surplus de glucose en molécules de glycogène, ce qui contribue à faire baisser la glycémie. glu + glu + glu + glu +... + glu è glu-glu-glu-glu-... extension du polymère (glycogenèse) La cellulose est formée de longues chaînes linéaires de glucoses liés les uns aux autres. Présente dans tous les végétaux, les molécules de cellulose s'assemblent les unes aux autres pour former des fibres. Ces fibres forment les parties dures des tissus végétaux. Les liaisons entre les glucoses sont cependant différentes de celles de l'amidon ou du glycogène. Les liaisons entre les glucoses de la cellulose sont du type β1-4 plutôt que α1-4. Ces liaisons β1-4 ne peuvent pas être brisées par les sucs digestifs de la plupart des animaux. On ne peut donc pas digérer la cellulose. Si ces liens ne sont pas brisés, on ne peut pas absorber au niveau de l’intestin les glucoses constituant la cellulose. Bien qu’elle ne soit pas digestible, la cellulose revêt une certaine importance parce qu’elle constitue un apport de fibres donnant aux selles le volume qui permet leur déplacement dans le côlon. 29 1.4. Les rôles des glucides Les glucides assurent des rôles biologiques importants : - Un rôle énergétique (en particulier le glucose, l'amidon et le glycogène) : les cellules de la plupart des êtres vivants obtiennent l’énergie nécessaire à leur fonctionnement en dégradant du glucose. - Une fonction mécanique : c'est le cas chez les plantes (cellulose) et chez les arthropodes (chitine). Exception faite de la chitine, cette fonction est inexistante chez les animaux. - Un marquage cellulaire : des dérivés glucidiques fixés à des protéines interviennent dans une série de processus de reconnaissance cellulaire. Ils jouent le rôle de « panneaux indicateurs » facilitant les interactions cellulaires. - Une fonction structurale : c’est le cas des pentoses présents dans l’ADN et l’ARN. Ne confondez pas intolérance au lait et allergie au lait. Intolérance au lait : l'intestin de certaines personnes ne sécrète pas la lactase, enzyme qui dégrade le lactose en glucose et galactose. Le lactose non digéré se retrouve alors dans leur gros intestin où il est fermenté par des bactéries qui y vivent. L'anomalie peut être présente à la naissance ou se développer plus tard après le sevrage. Dans certaines parties du monde, la plupart des gens perdent, après sevrage, la faculté de pouvoir digérer le lactose. Allergie au lait : c’est une allergie à certaines protéines présentes dans le lait des bovins, protéines qui sont différentes de celles présentes dans le lait humain. C'est donc une allergie alimentaire comme l'allergie aux arachides ou aux crustacés. On classe souvent les aliments selon leur index glycémique. L’index glycémique est une mesure de la capacité d’un aliment à faire monter la glycémie. Les aliments riches en mono ou disaccharides ont, par exemple, un indice glycémique plus élevé que les aliments à base de céréales, surtout les céréales complètes. 2. Les lipides Les lipides forment un ensemble très hétérogène de molécules que l'on définit dès lors d'un point de vue opérationnel : ce sont des composés organiques peu ou pas solubles dans l'eau 30 (donc hydrophobes) mais très solubles dans les autres lipides (ils sont liposolubles). Comme pour les glucides, tous les lipides contiennent du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène, mais ce dernier est en proportion beaucoup plus faible. En outre, on trouve du phosphore dans certains des lipides les plus complexes. 2.1. Structures et propriétés chimiques On peut les diviser en trois grands groupes : les triglycérides (ou triacylglycérols), les phospholipides et les stéroïdes. 4.2. Les lipides 2.1.1. Les On triglycérides (ou triacylglycérols) peut diviser les lipides en trois grands groupes : Les triglycérides (ou triacylglycérols) Ce sont les graisses (solides) et les huiles (liquides). Les triglycérides sont formés de l'union Les phospholipides Les stéroïdes d'un glycérol à trois acides gras. Le glycérol est une petite molécule formée de trois carbones. 4.2.1. Les triglycérides Ce sont les graisses et les huiles. Les triglycérides sont formés de l'union d'un glycérol à trois Un acide gras est une molécule formée d'une chaîne de 16 à 20 carbones liés à des hydrogènes. acides gras. Le glycérol, aussi appelé glycérine, est une petite molécule formée de trois carbones. Ils sont peu abondants Chaque carbone portesous formeOH.libre. Ils sont généralement mis en réserve sous forme de un groupement Un acide gras est une molécule formée d'une chaîne de carbones liés à des hydrogènes triglycérides. (c'est ce qu'on appelle un hydrocarbure en chimie organique) terminée par un groupement acide : COOH. Un acide gras peut se lier au glycérol par l'intermédiaire de son groupement COOH. Le OH Le glycérol d'unepeut moléculefixer trois réagit avec chaînes le H de l'autre pourd’acides gras former de l'eau. pouril s’agit A nouveau, ainsid’uneformer un triglycéride ou réaction de condensation. triacylglycérol en forme de E. L’axe de glycérol est le même pour tous les triglycérides, mais les chaînes d’acide gras varient, ce qui explique l’existence de différents types de graisses et d’huiles. La consistance d’un triglycéride à une température donnée dépend de la longueur de ses acides Etant gras donnéetque deleleur degré glycérol de saturation comporte par des trois groupements OH,atomes d’hydrogène. il peut fixer trois acides gras pour ainsi former un triglycéride ou triacylglycérol. 42 Les triglycérides peuvent être saturés, monoinsaturés ou polyinsaturés. Ces termes désignent la saturation en hydrogène des acides gras. 31  Etant donné que le glycérol comporte trois groupements OH, il peut fixer trois acides gras pour ainsi former un triglycéride ou triacylglycérol. Les acides gras peuvent être saturés, monoinsaturés ou polyinsaturés. Ces termes désignent la saturation en hydrogène des acides gras : - Acides gras saturés : dans un acide gras saturé, toutes les liaisons entre les carbones sont simples (pas de liaisons doubles). On ne peut pas ajouter d'hydrogène à la molécule ; elle est saturée. Ces chaînes d’acides gras sont linéaires et, à la température ambiante, les molécules de graisse saturées sont tassées les unes contre les autres et forment une masse solide. - Acides gras monoinsaturés : un acide gras monoinsaturé contient une double liaison carbone=carbone. On pourrait hydrogéner cette molécule en transformant la liaison double en Lessimple. liaison triglycérides peuvent Il faudrait alors être saturés, ajouter monoinsaturés ou polyinsaturés. Ces termes deux hydrogènes. désignent la saturation en hydrogène des acides gras. Acide gras saturés : Dans un acide gras saturé, toutes les liaisons entre les carbones - Acides gras sont polyinsaturés : unliaisons simples (pas de acide gras polyinsaturé doubles). contient On ne peut pas plusieurs liaisons doubles. ajouter d'hydrogène à la molécule; elle est saturée. Acide gras monoinsaturés : Un acide gras monoinsaturé contient une double liaison carbone=carbone. On pourrait hydrogéner cette molécule en transformant la liaison double en liaison simple. Il faudrait alors ajouter deux hydrogènes. Acides gras polyinsaturés : Un acide gras polyinsaturé contient plusieurs liaisons doubles. En raison de la présence de doubles liaisons, les chaînes d’acides gras s’enroulent sur elles- mêmes, ce qui les empêche de se serrer suffisamment pour former un solide. C’est pourquoi les L'acide oléique, un acide gras monoinsaturé et l'acide linoléique, un polyinsaturé. triglycérides dont les acides gras sont formés de chaînes courtes ou de chaînes insaturées sont des huiles (liquides à température ambiante). Les triglycérides servent surtout de réserve d'énergie. Tous les surplus alimentaires en glucides, en lipides Les triglycérides ou en d'origine protéines animale peuvent (beurre, se de gras transformer en triglycérides. la viande…) Un gramme sont généralement de (il saturés y a quand même beaucoup d'exceptions) alors que les triglycérides d'origine végétale sont, 43 le plus souvent, mono ou polyinsaturés (là aussi, il y a beaucoup d'exceptions). On déconseille la consommation d'acides gras saturés. Des études ont démontré qu'il y a une corrélation entre la quantité d'acides gras saturés dans la diète et un taux anormalement élevé 32 de cholestérol sanguin. Un taux élevé de cholestérol augmente les risques de maladies cardiovasculaires. Cependant, les acides gras oméga-3, présents naturellement dans les poissons, notamment les poissons gras, et dans certains produits végétaux (graines de lin, noix), de même que les acides gras oméga-6 qu’on peut trouver dans les œufs et certaines huiles, entre autres, semblent diminuer le risque de cardiopathie et de certaines maladies inflammatoires. Les chiffres 3 et 6 font référence à l’emplacement de la première liaison double, en partant de l’extrémité de la chaîne carbonée. Les triglycérides sont très hydrophobes (ne se dissolvent pas dans l’eau). L'organisme des vertébrés supérieurs les stocke dans le cytoplasme des adipocytes sous forme de gouttelettes graisseuses. Les triglycérides qui se trouvent sous la peau (hypoderme) protègent le corps contre les lésions d’origine mécanique et isolent du froid les tissus profonds. Les triglycérides servent aussi de réserve d’énergie. Tous les surplus alimentaires en glucides, en lipides ou en protéines peuvent se transformer en triglycérides. Un gramme de triglycéride contient plus du double d'énergie qu'un gramme de glucides ou de protéines ce qui signifie qu’1 g de lipides peut fournir en énergie l'équivalent de 2 g de glucides. 2.1.2. Les phospholipides Les phospholipides ressemblent aux triglycérides. Ils sont formés d’un glycérol (3) lié à deux acides gras (4-5) et à un groupement phosphate (2) lui-même lié à un groupement polaire (1). Comportement face à l'eau La portion glycérol et phosphate de la molécule est dite hydrophile (peut se dissoudre dans l’eau) alors que les acides gras sont hydrophobes. La partie hydrophile est soluble dans l'eau 33 alors que la partie hydrophobe ne l'est pas (elle est soluble dans les lipides). On parle de molécules amphipatiques. Placées dans de l'eau, les molécules de phospholipides ont tendance à former une couche monomoléculaire (une molécule d'épaisseur) où seules les portions hydrophiles sont en contact avec l'eau. Si on "force" les phospholipides à se mélanger à l'eau, ils forment alors une double couche moléculaire : les acides gras hydrophobes se font face (ils ont plus d'affinité entre eux qu'avec les molécules d'eau) alors que les portions hydrophiles demeurent en contact avec l'eau. Il se forme ainsi une membrane de l'épaisseur des deux couches de molécules. Les membranes entourant les cellules sont formées de phospholipides disposés de cette façon. L'importance des phospholipides en biologie est considérable. Ils constituent la structure de base des membranes biologiques. 2.1.3. Les stéroïdes Les stéroïdes sont des molécules qui partagent toutes le même squelette de base : le noyau stérol. Le noyau stérol est formé de quatre cycles reliés. Différents groupements chimiques peuvent se fixer sur le noyau stérol formant ainsi différents stéroïdes. Le plus abondant et le plus connu des stéroïdes est le cholestérol. 34 Environ 15% du cholestérol sanguin provient de l’alimentation (produits d’origine animale tels que les œufs, la viande et le fromage) ; le reste est produit par le foie (près de 85%). Ce serait évidemment 100% chez un végétalien qui ne consommerait aucun produit d'origine animale puisque les végétaux ne contiennent pas de cholestérol. Le cholestérol s'associe aux phospholipides pour former les membranes des cellules animales. Il sert à former différentes molécules essentielles comme les hormones stéroïdes, les hormones corticosurrénales (cortisol et aldostérone), la vitamine D ou les sels biliaires (ces derniers sont contenus dans la bile ; ils aident à la digestion des lipides dans l'intestin). Citons comme autres dérivés stéroïdes : - Les hormones stéroïdes : les hormones sont des substances messagères sécrétées dans la circulation par des glandes dites endocrines ; elles exercent des effets bien définis sur des cellules-cibles spécifiques. Comme hormone stéroïde, on trouve les hormones stéroïdes sexuelles (testostérone, progestérone, œstrogènes) et les corticostéroïdes (ex : cortisone et aldostérone). - La vitamine D : les vitamines sont des composés organiques dont l'organisme a besoin en quantités infimes pour assurer la croissance et garder l’organisme en bonne santé. La vitamine D que l’on trouve dans les produits laitiers, le jaune d’œuf et qui est également produite par la peau à partir du cholestérol en présence des rayons solaires. Elle stimule l’absorption et l’utilisation du calcium et du phosphore et favorise la croissance osseuse. - Les sels biliaires : substances à caractère amphipatique présentes dans la bile. Ce caractère leur permet d'émulsionner les lipides alimentaires, étape indispensable à leur digestion par la lipase intestinale. 35 2.3. Le transport des lipides et métabolisme du cholestérol Les triglycérides et le cholestérol ne circulent pas librement dans le sang parce qu’ils sont insolubles dans l’eau. C’est pourquoi leur transport vers les cellules et hors de celles-ci s’effectue par l’intermédiaire de petits complexes lipides-protéines appelés lipoprotéines. Ces complexes solubilisent les lipides, qui sont hydrophobes, et contiennent des signaux qui règlent les mouvements d’entrée et de sortie des lipides dans les cellules cibles. La quantité relative de lipides et de protéines dans les lipoprotéines est extrêmement variable, mais toutes les lipoprotéines contiennent des triglycérides, des phospholipides et du cholestérol en plus de protéines. De façon générale, plus une lipoprotéine contient un pourcentage élevé de lipides, plus sa densité est faible ; plus la proportion de protéines est importante, plus la densité de la lipoprotéine est élevée. On distingue donc les lipoprotéines de très basse densité (VLDL, very low density lipoproteins), les lipoprotéines de basse densité (LDL, low-density lipoproteins) et les lipoprotéines de haute densité (HDL, high-density lipoproteins). Les chylomicrons, qui transportent les lipides absorbés provenant du tube digestif, ont la densité la plus faible de toutes les lipoprotéines. Le foie est le principal centre de synthèse de VLDL ; ces dernières transportent les triglycérides du foie vers les tissus périphériques (autres que le foie), mais surtout vers le tissu adipeux. Lorsque tous les triglycérides ont été conduits à leur point de destination, les résidus des VLDL s’appellent les LDL et sont riches en cholestérol. La fonction des LDL est de transporter le cholestérol vers les tissus périphériques (non hépatiques), où les cellules des tissus peuvent s’en servir pour construire des membranes, fabriquer des hormones, ou les mettre en réserve pour une utilisation ultérieure. La plupart des cellules autres que celles du foie et de l’intestin tirent du plasma la majeure partie du cholestérol à partir duquel elles synthétisent leurs membranes. Lorsque qu’une cellule a besoin de cholestérol, elle fabrique des récepteurs protéiques de LDL et les insère dans sa membrane plasmique. Les LDL se fixent aux récepteurs et pénètrent dans la cellule. Lorsqu’un excès de cholestérol s’accumule dans une cellule, il inhibe la synthèse par la cellule des récepteurs de LDL. La fonction principale des HDL, qui sont particulièrement riches en phospholipides et en protéines, est de capter l’excédent de cholestérol et de la transporter des tissus périphériques vers le foie, où il est dégradé et devient un composant de la bile. Le foie fabrique les enveloppes protéiques des particules de HDL et les déverse dans la circulation sanguine sous forme affaissée qui rappelle un ballon dégonflé. Une fois dans le sang, ces particules de HDL encore 36 incomplètes s’emplissent de cholestérol prélevé sur les cellules des tissus et les parois des artères. Pour les adultes, on recommande une concentration plasmatique de cholestérol total inférieure à 200 mg/dL ou moins. Les concentrations plasmatiques supérieures ont été liées aux risques d’athérosclérose, une affection responsable de l’obstruction des artères et constituant un facteur de risque des accidents vasculaires cérébraux et des crises cardiaques. Cependant, il ne suffit pas de mesurer le cholestérol total ; du point de vue clinique, la forme sous laquelle le cholestérol est transporté dans le sang revêt encore plus d’importance. En général, on considère comme souhaitable d’avoir un taux élevé de HDL parce que le cholestérol ainsi transporté est destiné à être dégradé. Des concentrations de HDL supérieures à 60 mg/dl procureraient une protection contre les maladies cardiaques. En revanche, les personnes dont les taux de HDL sont inférieurs à 40 mg/dL sont à risque. Les concentrations élevées de LDL (160 mg/dL) sont considérées comme néfastes parce qu’un excès de LDL entraîne sur les parois artérielles la formation de dépôts de cholestérol dont les effets peuvent être mortels. Un apport élevé de cholestérol dans l’alimentation inhibe la synthèse de cette molécule par le foie, mais pas dans un rapport d’un pour un. En effet, le foie en produit une quantité minimale même lorsque l’apport alimentaire est élevé. Inversement, une diminution importante du cholestérol alimentaire, bien qu’utile, ne conduit pas à une baisse soudaine de la concentration plasmatique du cholestérol. Rappelons que les acides gras saturés et trans dans l’alimentation stimulent la synthèse du cholestérol par le foie et inhibent son excrétion, alors que les acides gras insaturés accroissent son excrétion 2.3. Les rôles des lipides Les lipides exercent plusieurs fonctions importantes dans la cellule : - Ils constituent une réserve d'énergie considérable (sous forme de triglycérides emmagasinés dans les adipocytes). - Ils protègent et isolent les organes - Ils sont les composés prépondérants des membranes cellulaires (phospholipides, cholestérol). - Ils interviennent comme messagers de signaux cellulaires (hormones). 37 3. Les protéines Les protéines sont les molécules les plus complexes et les plus variées des êtres vivants. Un être humain fabriquerait au total quelque chose comme 100 000 protéines différentes. Chaque cellule en fabrique en moyenne 15 000 sortes différentes. Près de 50% du poids sec d'un être vivant est fait de protéines. Toutes les protéines contiennent du carbone, de l’oxygène, de l’hydrogène et de l’azote, et beaucoup renferment également du soufre. 3.1. Les acides aminés et protéines Une protéine, c'est un polymère d'acides aminés c'est-à-dire une grande molécule (macromolécule) formée de l'union en chaîne de plus petites molécules, les acides aminés ; il en existe 20 différents. Ces 20 acides aminés diffèrent les uns des autres par leur chaîne latérale R. Sur les 20 acides aminés principaux que l’on trouve dans notre organisme, 8 à 10 sont dits «essentiels» parce que nous ne pouvons pas les synthétiser (fabriquer) ou pour certains, pas en quantité́ suffisante dans certaines circonstances. Ils doivent donc être apportés par l’alimentation. Certaines protéines alimentaires (principalement celles d’origine animale) les contiennent tous, d’autres n’en contiennent que certains. Il importe donc de multiplier les sources de protéines afin de couvrir tous nos besoins, particulièrement dans un régime végétalien. Chacun des acides aminés a des caractéristiques qui lui sont propres ; selon l’ordre dans lequel ils sont assemblés, ils peuvent donc former des protéines aux structures et aux fonctions extrêmement diverses. On peut considérer que les 20 acides aminés constituent un « alphabet » de 20 lettres servant à former des « mots » (les protéines). Tout comme il est possible de changer le sens d’un mot en remplaçant une lettre par une autre (faire => foire), on peut créer une nouvelle protéine ayant une fonction différente en déplaçant un acide aminé ou en le remplaçant par un autre. Il peut ainsi arriver que des modifications de la séquence d’acides aminés donnent des protéines non fonctionnelles, comme si on avait formé un nouveau mot 38 dépourvu de sens (faire => faore). L’organisme renferme un très grand nombre de protéines possédant des caractéristiques fonctionnelles différentes, et toutes sont synthétisées à partir des mêmes 20 acides aminés qui sont combinés d’innombrables façons. 3.2. Structures des protéines La plupart des protéines sont formées de l'union de 100 à 200 acides aminés. Chaque protéine possède une organisation tridimensionnelle (ou structure dans l’espace) qui lui est propre. Chacun des acides aminés a des caractéristiques qui lui sont propres ; selon l’ordre dans lequel ils sont assemblés, ils peuvent donc former des protéines aux structures et aux fonctions extrêmement diverses. C’est la structure générale d’une protéine qui détermine sa fonction biologique. On classe habituellement les protéines selon leur forme générale en 2 catégories, selon qu’elles sont fibreuses ou globulaires. Les protéines fibreuses ou protéines structurales forment de longs brins. C'est le cas du collagène par exemple formé de protéines de tropocollagènes, enroulées les unes autour des autres en une structure qui ressemble à une corde torsadée. Les protéines fibreuses sont insolubles dans l’eau et très stables, deux propriétés qui en font un matériau idéal pour assurer aux tissus un support mécanique et une résistance à l’étirement. Un autre exemple de protéines fibreuses sont les protéines contractiles dans les muscles. Les protéines globulaires ou protéines fonctionnelles sont compactes et sphériques. Ce sont des molécules solubles dans l’eau, mobiles et chimiquement actives qui jouent un rôle essentiel dans la quasi-totalité des processus biologiques comme les anticorps, certaines hormones, les enzymes, l’hémoglobine. 39 3.3. Dénaturations des protéines L’activité d’une protéine est fonction de sa structure tridimensionnelle, qui est elle-même maintenue par des liaisons intramoléculaires. Cependant, ces dernières sont très fragiles et facilement détruites par de nombreux facteurs chimiques ou physiques comme la chaleur ou une trop forte acidité. Quand le pH devient trop acide ou que la température dépasse des valeurs normales, certaines liaisons commencent à se rompre. Dans ces conditions, les protéines se déplient et perdent leur forme tridimensionnelle : on dit qu’elles sont dénaturées. Ce phénomène est réversible dans la plupart des cas, et la protéine reprend sa forme initiale lorsque les conditions reviennent à la normale. Toutefois, il arrive que les variations de pH ou de températures soient si extrêmes qu’elles infligent des dommages irréparables à la structure de la protéine. Un œuf que l'on fait cuire est un bon exemple de dénaturation irréversible. Dans un œuf cru, la protéine (l'albumine) est soluble et a l'aspect d'un liquide clair et visqueux. Lorsqu'on la soumet à la chaleur, l'albumine se dénature, devient insoluble et forme un précipité blanc. Lorsque le sang est trop acide, la capture et le transport de l’oxygène par l’hémoglobine deviennent totalement impossible parce que la structure nécessaire à cette fonction a été détruite. 3.4. Les rôles des protéines Les protéines sont des molécules très variées. Elles ont chacune une forme tridimensionnelle et des propriétés chimiques qui leur sont propres. Les protéines remplissent de nombreux rôles dans la cellule. Parmi ces différentes fonctions on peut souligner les huit suivantes : 1. Structure : des protéines assurent le maintien de la forme des cellules. C’est le rôle des protéines du cytosquelette (tubuline, actine). Les protéines des jonctions intercellulaires relient entre elles plusieurs cellules. Elles sont indispensables au maintien de la structure des tissus. A l’extérieur des cellules, des protéines de la matrice extracellulaire (collagène, élastine) assurent notamment l’organisation des tissus et l’adhérence entre les cellules. Le collagène est 40 la protéine la plus abondante de l’organisme humain dont il représente le quart de la masse protéique. 2. Enzymes : ce sont des catalyseurs qui augmentent la vitesse des réactions biochimiques qui se déroulent dans la cellule. 3. Transport de molécules : certaines protéines assurent le transport d’une molécule de part et d’autre de la membrane cytoplasmique. D'autres sont impliquées dans le transport des lipides (triglycérides, cholestérol, phospholipides) dans le sang. Citons encore le transport de l'oxygène dans le sang par l'hémoglobine. 4. Mouvement : la contraction des cellules musculaires nécessite l’interaction entre deux protéines : l’actine et la myosine. La locomotion des spermatozoïdes met en jeu des flagelles. L’ondulation des flagelles implique des microtubules constitués de tubuline. L’organisation des cils est assez semblable à celle des flagelles. Grâce aux battements de ces cils, le mucus peut s’évacuer des bronches, du nez ou du vagin.... 5. Communication entre des cellules : la communication entre cellules est nécessaire pour un fonctionnement et un développement coordonnés. Certains récepteurs protéiques lient spécifiquement une hormone (insuline...), un facteur de croissance ou un neurotransmetteur. Cette liaison entraîne des modifications métaboliques dans les cellules cible de l’insuline. 6. Défense de l'organisme : les anticorps. Les anticorps fabriqués par certains globules blancs pour la défense de l'organisme contre les cellules étrangères sont de grosses protéines. 7. Hormones : la plupart des hormones sont des protéines. C'est le cas, par exemple, de l'insuline, une hormone formée de deux chaînes d'acides aminés reliées l'une à l'autre. L'hormone de croissance responsable, comme son nom l'indique, de la croissance est également une protéine. 8. Identification des cellules : la membrane de toutes les cellules contient des glycoprotéines (des protéines associées à de courts polysaccharides) dont le rôle principal est de permettre au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules (et donc de ne pas les attaquer). Ces glycoprotéines appelées protéines CMH (pour complexe majeur d'histocompatibilité) sont nombreuses et très variables. Il n'y a pas deux personnes qui possèdent les mêmes. Le système immunitaire peut distinguer ses propres cellules des cellules étrangères par les protéines CMH de la membrane. 41 3.5. Les enzymes La plupart des réactions biochimiques, mêmes celles qui sont énergétiquement favorables, sont tellement lentes dans les conditions douces de température et de pression compatibles avec la vie que c'est comme si elles ne se faisaient pas. Par exemple, l’hydrolyse du saccharose en glucose et en fructose est exergonique ; elle a lieu spontanément et s’accompagne d’un dégagement d’énergie. Cependant, il peut se passer des années avant qu’une solution de saccharose ajoutée à de l’eau stérile et placée à la température ambiante ne soit hydrolysée de façon appréciable. Cependant, si nous versons dans la solution une petite quantité de catalyseur, par exemple l’enzyme appelée saccharase, tout le saccharose s’hydrolysera en quelques secondes, selon la réaction suivante : L’organisme doit donc faire appel à des accélérateurs spécifiques (= catalyseurs) des réactions chimiques: les enzymes. Les enzymes sont des protéines spécialisées dans la catalyse des réactions biologiques. Leur efficacité́ est impressionnante. Les réactions catalysées par une enzyme sont 108 à 1014 fois plus rapides que les réactions non-enzymatiques correspondantes. Une réaction qui se produit en 4 jours sans enzyme, se déroule en un centième de seconde en présence de l'enzyme. Les enzymes répondent aux caractéristiques générales des catalyseurs, à savoir qu'elles augmentent la vitesse d'une réaction sans influencer sa constante d'équilibre ni l’énergie échangée et sans être consommées ou transformée au cours de la réaction. Elles ne peuvent pas non plus forcer des réactions qui, dans d’autres circonstances, ne réagiraient pas du tout. Certaines enzymes sont élaborées sous une forme inactive et ne deviennent fonctionnelles que si elles sont activées, souvent par un changement du pH de leur milieu. Par exemple, les enzymes digestives produites par le pancréas sont activées dans l’intestin grêle, là où elles accomplissent leurs fonctions. S’il les produisait sous forme active, le pancréas finirait par se digérer lui-même. Certaines enzymes sont inactivées aussitôt après avoir joué leur rôle de catalyseurs, comme celles qui assurent la coagulation sanguine en cas de lésion des parois d’un vaisseau sanguin. 42 Lorsque la coagulation a commencé, le fonctionnement des enzymes précédemment activées est stoppé, sinon le sang finirait par se solidifier dans tous nos vaisseaux sanguins au lieu de former un simple caillot protecteur. La propriété́ la plus remarquable des enzymes est la spécificité́. On appelle substrat le réactif sur lequel une enzyme agit. Les enzymes "reconnaissent" leurs substrats avec une grande précision, comme une serrure "reconnaît" sa clé́. Par exemple, l’enzyme saccharase n’agit que sur le saccharose et ne se lie pas à d’autres disaccharides, comme le maltose. L'endroit où le substrat se fixe à l'enzyme est appelé́ le site actif. Les sites actifs sont des puits ou des sillons creusés à la surface des enzymes par le reploiement de la chaine protéique. L’action enzymatique comporte 3 grandes étapes : 1) Le substrat doit d’abord se lier au site actif de l’enzyme et former temporairement un complexe enzyme-substrat. 2) Le complexe enzyme-substrat subit des remaniements internes qui font apparaître le (ou les) produit(s). 3) L’enzyme relâche le (ou les) produit(s) de la réaction. L’enzyme n’est pas modifiée et reprend sa forme initiale. Elle est donc libre d’accepter une autre molécule de substrat. Le cycle entier se produit tellement vite qu’une seule molécule d’enzyme transforme habituellement un millier de molécules de substrat par seconde. 43 4. Les acides nucléiques Les acides nucléiques qui sont composés de carbone, d’oxygène, d’hydrogène et de phosphore, sont les molécules les plus volumineuses de l’organisme. Le qualificatif « nucléique » souligne le fait que c’est dans le noyau des cellules que ces acides sont situés et synthétisés. Les acides nucléiques se répartissent en deux groupes : les acides ribonucléiques ou ARN et les acides désoxyribonucléiques ou ADN. Comme les protéines, les acides nucléiques sont des polymères non-répétitifs et non-ramifiés. Leurs monomères sont les nucléotides. 4.1. Rôles de l’ADN et de l’ARN L’ADN et l’ARN ont des rôles différents. L’ADN se trouve dans le noyau de la cellule, où il constitue le matériel génétique. L’ADN a 2 rôles fondamentaux : il se réplique (se reproduit) avant la division cellulaire pour que l’information génétique contenue dans les cellules filles soit identique, et il fournit les instructions de base pour construire chaque protéine du corps. Par exemple, les enzymes qui régissent toutes les réactions chimiques de l’organisme sont des 44 protéines formées selon les instructions de l’ADN. En fournissant les informations pour la synthèse des protéines, l’ADN détermine quel type d’organisme nous sommes (grenouille, humain ou chêne), dirige notre croissance et notre développement et il est unique pour chaque personne. L’ARN se trouve principalement à l’extérieur du noyau de la cellule. On peut le considérer comme une sorte « d’esclave moléculaire » qui exécute les ordres de synthèse protéique émis par l’ADN. 4.2. Structures de l’ADN et de l’ARN Tous les nucléotides possèdent la même structure générale : un pentose, sucre à 5 carbones, sur lequel se trouve fixé d'une part une base azotée et d'autre part un groupe phosphate. Cinq principaux types de bases azotées peuvent entrer dans la structure d’un nucléotide : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T), la cytosine (C) et l’uracile (U). L’ADN est constitué de deux chaînes de nucléotides enroulés l’une autour de l’autre comme une échelle de corde torsadée ; cette conformation est appelée double hélice. 45 Les molécules d’ARN sont des brins simples de nucléotides. 4.3. L’adénosine triphosphate (ATP) transfère de l’énergie à d’autres composés Bien que le glucose soit le principal combustible de la cellule, l’énergie chimique contenue dans les liaisons de cette molécule n’est pas directement utilisable pour les fonctions cell