Constituants de la matière vivante : atomes, molécules, biomolécules

CHAPITRE 1 : LES CONSTITUANTS DE LA MATIÈRE VIVANTE

La physiologie est l'étude du rôle, du fonctionnement et de l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants (systèmes, organes, tissus, cellules et organites cellulaires). Elle se concentre sur le fonctionnement normal du vivant.

A) Introduction : de l'atome à l'organisme

Un organisme est constitué d'un très grand nombre d'atomes. Une molécule est un assemblage d'au moins deux atomes. Notre corps est composé de molécules telles que les glucides, les lipides et les protides, qui sont les constituants du vivant.

Il existe environ 200 types de cellules différentes, chacune ayant des spécificités de fonctions et de formes. Ces cellules peuvent s'organiser entre elles.

Niveau tissulaire

Un tissu est un assemblage de cellules de même type.

Niveau organique (l'organe)

Un organe est un assemblage de différents types de tissus qui permettent une fonction spécifique. Par exemple, un vaisseau sanguin est composé de plusieurs types de tissus (musculaire, conjonctif, endothélial) qui lui permettent d'adapter sa taille (vasodilatation, vasoconstriction) en fonction des besoins en sang.

Niveau systémique

Le niveau systémique est un regroupement de plusieurs organes qui collaborent pour réaliser une fonction encore plus spécifique (ex: système cardiovasculaire, digestif, musculaire). On parle d'appareils lorsque les organes sont clairement délimités (ex: appareil digestif), mais certains systèmes (ex: système lymphatique) ne peuvent pas être qualifiés d'appareils car leurs composants ne sont pas délimités de la même manière.

L'organisme se définit par le fonctionnement synchrone de l'ensemble des systèmes qui le constituent.

B) De l'atome à la molécule

L'atome est le niveau le plus élémentaire de l'organisation du corps humain. Il est constitué d'un noyau central autour duquel gravitent des électrons chargés négativement (-). Le noyau est composé de protons chargés positivement (+) et de neutrons (sans charge).

Le nombre de protons dans le noyau détermine l'élément.

Classification périodique des éléments

• Le numéro atomique caractérise le nombre de protons. Par exemple, le carbone (C) a 6 protons.
• La masse atomique (le poids de l'atome) est globalement liée au nombre de protons et de neutrons. Pour le carbone, sa masse atomique est de 12. La masse des électrons est négligeable.
• Les isotopes sont des atomes d'un même élément qui se distinguent par leur nombre de neutrons, mais conservent le même nombre de protons et d'électrons, et donc les mêmes propriétés chimiques.
  • Exemple : Carbone 14 (même numéro atomique 6, mais masse atomique différente du Carbone 12).

Éléments essentiels du corps humain

• Les 4 premiers éléments (oxygène, carbone, hydrogène, azote) représentent 90% de l'individu (éléments majeurs).
• Les 6 premiers éléments (avec le calcium et le phosphore) représentent 95% de l'individu.
• L'ensemble des éléments essentiels représente 99% de l'individu.
• Les oligo-éléments sont des éléments mineurs, indispensables à la vie mais en très faibles quantités (masse inférieure à 1 mg/kg).
  • Exemple : Le fluor est essentiel pour la formation de l'émail dentaire. Il existe environ 12 oligo-éléments.

La molécule et les liaisons chimiques

Une molécule est constituée de deux atomes ou plus (identiques ou différents) unis par des liaisons chimiques. Un composé est une molécule constituée d'au moins deux types d'atomes différents (ex: eau, glucose, mais pas la molécule d'oxygène O₂).

Types de liaisons

1. Liaisons primaires (fortes) : Elles unissent les atomes pour former des molécules.
   • Liaisons covalentes : Partage d'électrons entre deux atomes.
     • Exemple : Molécule d'eau (H₂O). L'oxygène partage ses électrons avec deux atomes d'hydrogène pour compléter sa couche externe. Le nombre d'électrons manquants sur la couche externe conditionne le nombre de liaisons que l'atome peut établir.
   • Liaisons ioniques : Transfert d'électrons entre atomes, formant des ions.
     • Exemple : Chlorure de sodium (NaCl). Le sodium (Na) cède un électron au chlore (Cl), formant un ion Na⁺ (cation) et un ion Cl^- (anion). Ces ions s'attirent pour former un sel.
2. Liaisons secondaires (faibles) : Elles donnent la forme et la structure aux molécules.
   • Liaisons hydrogène : Attraction spécifique entre un atome d'hydrogène et un atome électronégatif (azote, oxygène ou fluor). Elles sont trop faibles pour unir des atomes et former des molécules, mais sont cruciales pour les interactions intermoléculaires (ex: tension superficielle de l'eau) et intramoléculaires (ex: structure tridimensionnelle des protéines).
   • Liaisons de Van der Waals : Attractions faibles entre le noyau d'un atome et les électrons d'un atome voisin.

C) Les molécules du vivant : Biomolécules

Les biomolécules comprennent les molécules organiques (glucides, lipides, protides, nucléotides et acides nucléiques, vitamines) et les molécules inorganiques (eau, oligo-éléments).

L'eau

Le corps humain est composé de 60 à 65% d'eau (environ 45L pour un individu de 70 kg). L'eau n'est pas seulement H₂O, elle contient aussi d'autres molécules diluées.

Compartimentation de l'eau dans l'organisme

L'eau est présente dans les cellules (intracellulaire), dans les espaces intercellulaires (interstitiel), et dans le sang et la lymphe (plasmatique).

Les tissus mous contiennent environ 75% d'eau.

Besoins et pertes en eau

• Besoins quotidiens : Environ 2,5 L par jour (1 L via les aliments, 1,5 L via les boissons), plus des apports endogènes (produits par le métabolisme).
• Pertes quotidiennes :
  • Transpiration : Environ 0,5 L (liée à la thermorégulation).
  • Respiration : Environ 0,5 L (dans des conditions normales à 22°C).
  • Urine : Environ 1,2 à 1,4 L (nécessaire pour l'élimination des toxines).
  • Fèces : Environ 200 ml.

Rôles et fonctions de l'eau

• Participe aux réactions chimiques (hydrolyse, synthèse).
• Assure le transit des substances dissoutes (ex: le sang).
• Permet l'élimination des déchets métaboliques (ex: urines).
• Maintient la température corporelle constante (thermorégulation : thermogenèse et thermolyse). L'eau a une capacité thermique très importante.

Molécules organiques

Les molécules organiques contiennent au moins un atome de carbone (C), souvent associé à de l'hydrogène (H), de l'oxygène (O), de l'azote (N), etc. Elles se distinguent des molécules inorganiques (eau, oligo-éléments).

Elles présentent une grande diversité de compositions (nombre de C, H, O), de structures chimiques (linéaires, cycliques) et de fonctions chimiques (carboxylique, hydroxyle, amine, phosphate) qui leur confèrent leurs caractéristiques.

Classifications biochimiques des molécules organiques

• Glucides (oses)
• Protides (acides aminés)
• Lipides (alcool + acides gras)
• Acides nucléiques (nucléotides : ATP, ADN, ARN)
• Vitamines

Les vitamines

• Molécules nécessaires au métabolisme (formation d'enzymes, hormones).
• Doivent être apportées par l'alimentation (environ 13 vitamines).
• Rôle fonctionnel plutôt que structural.
• Seules 3 vitamines sont synthétisables par l'organisme (K, B₁₂ et H par les bactéries intestinales).
• Deux grandes classes :
  • Liposolubles (stockées dans les graisses) : A, D, E, K.
  • Hydrosolubles (éliminées par les urines) : B, C.
• Attention à l'hypervitaminose (excès de vitamines).

Les Glucides

Les glucides comprennent les sucres, l'amidon, le glycogène et la cellulose. Ils sont composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, avec une formule générale (CH₂O)_n (hydrates de carbone). Ils sont riches en fonctions hydroxyle (OH), ce qui les rend solubles dans l'eau.

Classification selon la taille

• Oses = sucres simples = monosaccharides (non hydrolysables).
  • Formule générale : (CH₂O)_n.
    • n = 3 carbones : trioses
    • n = 4 carbones : tétroses
    • n = 5 carbones : pentoses (très répandus, ex: dans les nucléotides)
    • n = 6 carbones : hexoses (très répandus, ex: glucose, fructose)
  • Glucose (C₆H₁₂O₆) : Le plus abondant, utilisé pour produire de l'énergie.
  • Fructose : Présent dans l'alimentation.
  • Glycémie : Concentration de glucose libre dans le sang (0,80 g/L ou 4,4 mM/L à jeun).
• Osides = sucres complexes = polysaccharides (polymères d'oses, 2 oses et plus). Ils peuvent être des holosides ou des hétérosides.
  • Ne pas confondre les sucres rapides/lents (impact sur la glycémie) avec les sucres simples/complexes (structure).
  • Les osides sont des polymères d'oses, ayant des fonctions de réserve énergétique ou structurales.
  • Holosides : Molécules uniquement composées de glucides.
    • Oligo-holosides (entre 1 et 10 oses) : Ex: sucrose, lactose.
    • Polyholosides (au-delà de 10 oses) : Ex: amidon, glycogène.
  • Hétérosides : Molécules glucidiques associées à d'autres molécules (ex: glycoprotéines, glycolipides).

Exemples d'holosides

• Disaccharides (molécules constituées de 2 oses) :
  • Saccharose ou sucrose : Le "sucre" commercial, composé de fructose et de glucose. Synthétisé par la betterave à sucre et la canne à sucre. Sa synthèse libère une molécule d'eau.
  • Maltose : Composé de 2 molécules de glucose. Présent dans les grains de malt d'orge, produit de l'hydrolyse de l'amidon et du glycogène. Enzyme : maltase.
  • Lactose : Présent dans le lait maternel (galactose + glucose). Principale source d'énergie durant l'allaitement. Enzyme : lactase.
• Polysaccharides (10 oses ou plus) = macromolécules.
  • Glycogène : Réserve énergétique du règne animal. Macromolécule de 5 000 à 30 000 molécules de glucose.
    • Glycogénogenèse : Synthèse de glycogène à partir de glucose.
    • Glycogénolyse : Synthèse de glucose à partir de glycogène.
    • Stocké principalement dans le foie (60 à 100 g/kg, soit environ 150 g pour un foie de 1,5 kg) et les muscles (10 à 15 g/kg, soit 250 à 375 g pour 25 kg de muscles).
    • Le glucose passe dans le sang, mais le glycogène est synthétisé et hydrolysé sur place.
  • Cellulose : Squelette des végétaux, non digérable par l'homme.
  • Amidon : Réserve énergétique du règne végétal (grains).

Besoins journaliers en glucides

• Apports sous formes multiples (glucose, fructose, galactose, amidon, maltose).
• 45-65% de l'apport calorique total (pour 2 000 Kcal/jour), soit 225 à 325 g/jour (3 à 7 g de glucides par kg de masse corporelle).
• Jusqu'à 10 g/kg pour un sportif d'endurance.

Les Lipides

Un lipide est une molécule résultant de la combinaison d'une molécule d'alcool et d'une ou plusieurs molécules d'acide gras. Contrairement aux glucides, les lipides sont insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques (acétone, éthanol).

Classification des lipides

• Lipides simples : Composés de carbone, hydrogène, oxygène.
• Lipides complexes : Composés de carbone, hydrogène, oxygène, plus phosphore, azote ou soufre.

Structure des lipides

Les lipides sont formés de deux parties :

• Une molécule d'alcool, principalement le glycérol (C₃H₈O₃), qui porte une ou plusieurs chaînes d'acides gras (max 3).
• Une ou plusieurs chaînes d'acides gras : Longues chaînes linéaires d'hydrocarbures avec une fonction acide carboxylique à une extrémité. La chaîne peut être de taille variable (multiple de 2).
  • Acides gras saturés : Uniquement des liaisons simples C-C (ex: acide palmitique).
  • Acides gras insaturés : Contiennent des doubles liaisons C=C (mono-insaturés ou poly-insaturés) (ex: acide oléique, acide linoléique).

Exemples de lipides simples

• Triglycérides : Formés de 3 acides gras liés à un glycérol par des liaisons covalentes. Ils constituent une forme de stockage d'énergie (équivalent du glycogène pour les glucides).
  • Si d'origine animale, ils sont souvent solides (riches en acides gras saturés).
  • Si d'origine végétale, ils sont souvent liquides (riches en acides gras insaturés).
  • Exceptions : L'huile de foie de morue (liquide, animale), la margarine (solide, végétale).

Zone de stockage des lipides simples

Le tissu adipeux sous-cutané est constitué d'adipocytes, cellules spécialisées dans le stockage des triglycérides. La vacuole lipidique, remplie de triglycérides, occupe la majeure partie de la cellule.

Exemples de lipides complexes

• Phospholipides (ou phosphoglycérides) : Composés de 2 acides gras, d'un glycérol et d'un groupement phosphate. Ce sont des molécules amphiphiles, avec une partie hydrophile (soluble dans l'eau) et une partie hydrophobe (insoluble dans l'eau, la chaîne d'acide gras).
  • Ils sont essentiels à la constitution des membranes cellulaires.
  • Exemples de structures formées par les phospholipides : micelles (queues hydrophobes orientées vers l'intérieur) et bicouches lipidiques (eau de part et d'autre des têtes hydrophiles).
  • La membrane plasmique est une double couche de phospholipides, intégrant aussi des protéines, et assure les fonctions de transport, protection et communication cellulaire.
• Stéroïdes (ex: cholestérol) : Molécules lipophiles avec très peu d'oxygène, caractérisées par 4 cycles hydrocarbonés. Le cholestérol est un stéroïde indispensable à l'organisme.
  • Il est présent dans les membranes cellulaires et est le précurseur de nombreuses molécules (acides biliaires, vitamine D, hormones stéroïdes).
  • 15 à 20% du cholestérol sanguin provient de l'alimentation (œufs, beurre, lait entier).
  • 80 à 85% est élaboré dans le foie.
  • Dosage sanguin : concentration de cholestérol dans le sang (2 g/L à jeun).
  • Les lipides sont consommés au repos et encore plus à l'exercice.

Besoins journaliers en lipides

• Apports sous formes multiples : 95% sous forme de triglycérides, 5% autres (cholestérol, vitamines liposolubles, acides gras libres, phospholipides).
• 35 à 40% de l'apport calorique total (pour 2 000 Kcal/jour), soit 70 à 100 g de lipides par jour (1 à 1,4 g/kg de masse corporelle).

Les Protides

Les protides désignent une grande famille incluant les acides aminés et tous leurs polymères (notamment les protéines). Ils sont principalement composés de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote.

Acides aminés (AA)

• Unités élémentaires ou monomères de base des protides (environ 20 types).
• Il existe 9 AA dits "essentiels" que l'organisme ne peut pas synthétiser et qui doivent être apportés par l'alimentation.
• Fonctions : Rôle structural très important, ainsi qu'un rôle fonctionnel (hormones, enzymes, transport, récepteurs).

Peptides

Les peptides résultent de la combinaison de 2 ou plusieurs acides aminés liés par une liaison peptidique (entre un groupement amine et un groupement acide carboxylique).

• Oligopeptides : 2 à 10 acides aminés.
• Polypeptides : 10 à 100 acides aminés.
• Les peptides ont une extrémité N-terminale (azote) et une extrémité C-terminale (carbone).

Protéines

Au-delà de 60-80 à 100 acides aminés, on parle de protéines. Elles se différencient par :

• Le nombre et la succession des différents acides aminés dans la ou les chaînes.
• La complexité de leur structure tridimensionnelle.

Niveaux de structure des protéines

• Structure primaire : Séquence linéaire des acides aminés.
• Structure secondaire : Organisation locale de la chaîne en hélice (rôle fonctionnel) ou en feuillet (rôle structural).
• Structure tertiaire : Forme tridimensionnelle finale de la protéine.
• Structure quaternaire : Assemblage de plusieurs sous-unités (chaînes d'AA) pour former une protéine fonctionnelle (ex: hémoglobine, composée de 4 sous-unités).

Besoins journaliers en protides

• Apports sous formes multiples (acides aminés).
• 15 à 25% de l'apport calorique total (pour 2 000 Kcal/jour), soit 56 à 75 g/jour (0,8 à 1 g/kg de masse corporelle).
• Jusqu'à 2 g/kg pour la prise de masse musculaire.

Les enzymes

Les enzymes sont des protéines qui agissent comme des catalyseurs biologiques, accélérant la vitesse des réactions chimiques dans la cellule (synthèse, dégradation, ou les deux). Elles entrent en contact avec des molécules appelées "substrats" sans être modifiées par la réaction qu'elles catalysent. Leur nom se termine souvent par le suffixe "-ase".

• Enzymes et anabolisme : Synthèse de molécules complexes à partir de molécules plus simples.
• Enzymes et catabolisme : Dégradation de molécules complexes en molécules plus simples.
• Enzymes et voies métaboliques : Elles interviennent dans des cascades de réactions organisées.

Nucléotides et acides nucléiques

Nucléotides

Les nucléotides sont composés de trois éléments :

• Une base azotée (1 ou 2 cycles C/N).
• Un sucre à 5 carbones (pentose).
• Un ou plusieurs groupements phosphate (H₂PO₄).

Exemples de nucléotides : ATP (Adénosine Triphosphate), ADP (Adénosine Diphosphate), FAD (Flavine Adénine Dinucléotide), NAD (Nicotinamide Adénine Dinucléotide), AMPc (Adénosine Monophosphate cyclique).

• L'ATP est une molécule énergétique qui transfère l'énergie en cassant ses liaisons phosphate.

Acides nucléiques

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides (chaînes de nucléotides A, G, C, T et/ou U).

• ADN (Acide Désoxyribonucléique) : Double brin, contient les bases A, G, C, T.
• ARN (Acide Ribonucléique) : Simple brin, contient les bases A, G, C, U (l'uracile remplace la thymine).

Les liaisons entre les groupements phosphates des nucléotides stockent et libèrent l'énergie.