Éléments chimiques de la matière vivante

Bases de Biochimie : La Matière Vivante

La biochimie est la science qui étudie les réactions chimiques au sein des êtres vivants, notamment les biomolécules.

I. Les Constituants Fondamentaux

• Toute matière vivante est composée d'éléments, substances impossibles à dégrader.

• Chaque élément est désigné par un symbole chimique (ex: C = Carbone, H = Hydrogène, Fe = Fer).

• Elements majoritaires du vivant :

  • Oxygène (O) : 63% (humains), essentiel à la respiration cellulaire.

  • Carbone (C) : 19,5% (humains), base des molécules organiques (squelette carboné).

  • Hydrogène (H) : 9,5% (humains).

  • Azote (N) : 5% (humains), compose acides aminés, protéines, acides nucléiques.

A. L'Atome

• Du grec "atomos" = ce qui ne peut être divisé.

• Constitué d'un noyau atomique (chargé positivement, contien protons et neutrons) et d'électrons qui gravitent autour.

• Un atome est électriquement neutre : nombre de protons = nombre d'électrons.

• Numéro atomique (Z) : nombre de protons.

• Nombre de nucléons (A) : protons + neutrons.

  • Ex: Carbone signifie 6 protons et 12 nucléons (donc 6 neutrons et 6 électrons).

B. Ions et Isotopes

• Ion : Atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

  • Cation : ion chargé positivement.

  • Anion : ion chargé négativement.

• Isotope : Atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs neutrons.

  • Ex: isotopes du Carbone (même nombre de protons, nombre de neutrons différent).

  • Application : Les isotopes radioactifs sont utilisés en médecine nucléaire (scintigraphie, traceurs comme , ) et en études pharmacocinétiques.

C. Liaisons Chimiques

• Phénomène physique liant les atomes pour former une molécule.

• Liaisons fortes :

  • Covalente : Mise en commun de 2 électrons (partage).

• Liaisons faibles :

  • Ionique : Attraction entre un cation et un anion (échange d'électrons).

  • Hydrogène : Interaction entre une molécule donneuse d'électrons (O, N, F) et un hydrogène accepteur d'électrons (OH, ).

  • Exemple de l'eau : . L'Oxygène capte plus fortement les électrons que l'Hydrogène, rendant la molécule polaire.

II. L'Eau, Molécule Essentielle

• Formule , polaire (O électronégatif, H électropositif).

A. Propriétés et Fonctions

• Solvant polaire : Dissout de nombreuses molécules (oxygène, glucose) et sels minéraux.

• Réactif chimique : Impliquée dans des réactions comme l'hydrolyse (saccharose + eau = glucose + fructose).

• Forte capacité thermique : Essentielle pour la thermorégulation.

• Assure le transport des nutriments.

• Définitions :

  • Molécules hydrophiles : Affines avec l'eau, polaires, peuvent former des liaisons hydrogènes.

  • Molécules hydrophobes (lipophiles) : Repoussées par l'eau, non polaires (apolaire).

B. Répartition et Osmose

• Représente 60 à 70% de la masse corporelle globale (variable selon les tissus : muscles 75-80%, sang 80%, os 20-30%).

• Répartie en compartiments hydriques :

  • Intracellulaire : 40%

  • Extracellulaire : 20%

• Ces compartiments sont séparés par une membrane semi-perméable.

• Osmose : Mouvement passif de l'eau à travers une membrane semi-perméable, du compartiment le moins concentré en solutés (hypotonique) vers le compartiment le plus concentré en solutés (hypertonique).

• Isotonie : Concentrations égales de solutés des deux côtés de la membrane.

• Bilan hydrique : Les apports doivent compenser les pertes (/jour).

C. pH et Régulation

• L'eau se dissocie : ou .

  • () = caractère acide.

  • = caractère basique (alcalin).

• Le pH mesure l'acidité ou la basicité :

  • pH < 7 : Acide

  • pH > 7 : Basique

  • pH = 7 : Neutre (pH sanguin humain ).

• Acide : Entité qui libère .

• Base : Entité qui libère .

• Le pH corporel est régulé par :

  • Des systèmes tampons (ex: couple acide carbonique / hydrogénocarbonate dans le sang, ).

  • Les poumons.

  • Les reins.

• Déséquilibres acido-basiques (pH sanguin normal ) :

  • Acidose respiratoire : pH < 7,36, pCO2 > 45.

  • Alcalose respiratoire : pH > 7,44, pCO2 < 35.

  • Acidose métabolique : pH < 7,36, bicarbonates < 22.

  • Alcalose métabolique : pH > 7,44, bicarbonates > 26.

III. Les Éléments Composant la Matière Vivante

• Macro-éléments (< 4% du poids total) : Na, Cl, K, Ca, Mg, P, S.

• Oligo-éléments (< 0,1% du poids total) : I, F, Fe, Cu, Zn, Se, Mn, Cr, Co, Al, etc.

A. Oxygène (O)

• Symbole O, 63% du corps humain.

• Dioxygène () : Indispensable à la respiration cellulaire (production d'ATP). Prélevé dans l'air, transporté par l'hémoglobine (98%) et dissous (2%).

  • Hypoxémie/Hypoxie/Anoxie : Diminution de l'Oxygène avec des conséquences graves (infarctus).

• Dioxyde de carbone () : Produit par le métabolisme cellulaire, transporté par l'hémoglobine (25%) et sous forme de bicarbonates ().

• Monoxyde de carbone (CO) : Gaz mortel, se fixe à la place de l'O₂ sur l'hémoglobine.

B. Carbone (C)

• Symbole C, 19,5% du corps humain.

• Élément de base des molécules organiques (squelette carboné).

• Peut former des ions bicarbonates ().

• Le est rejeté par les poumons.

C. Azote (N)

• Symbole N, 5% du corps humain.

• Fournit les fonctions azotées (amines, amides).

• Composant majeur des acides aminés, protéines, acides nucléiques.

• Diazote () : 80% de l'air.

• Ammoniac () : Toxique, transformé en urée et éliminé par les reins.

• Nitrates () et nitrites () : Présents dans l'eau et certains légumes.

D. Calcium (Ca)

• Symbole Ca, 1,5% du corps humain ().

• 99% dans les os, essentiel pour la croissance osseuse.

• Rôles : coagulation sanguine, maintien pression sanguine, transmission synaptique, contraction musculaire.

• Source : produits laitiers. Concentration normale : .

E. Phosphore (P)

• Symbole P, 1% du corps humain.

• Constituant de l'os (avec Ca), des phospholipides (membranes), des nucléotides (ADN, ARN), de l'ATP (énergie).

• Substance tampon pour le pH sanguin.

• Sources : fromages, poissons.

F. Potassium (K)

• Symbole K, dans l'organisme .

• Principal cation intracellulaire ().

• Rôle essentiel dans le potentiel d'action et les membranes biologiques (pompe Na/K/ATPase).

• Concentration plasmatique (kaliémie) : .

• Sources : poissons, fruits secs.

• Hyperkaliémie : Troubles cardiaques graves.

G. Sodium (Na)

• Symbole Na, dans l'organisme .

• Principal cation extracellulaire ( = natrémie).

• Rôle essentiel dans le potentiel d'action et les membranes biologiques (pompe Na/K/ATPase).

• Sources : crustacés, fromages, sel de table.

H. Chlore (Cl)

• Symbole Cl, dans l'organisme .

• Principal anion extracellulaire ().

• Présent dans les globules rouges, le suc gastrique.

• Sources : crustacés, fromages.

I. Magnésium (Mg)

• Symbole Mg, dans l'organisme .

• Co-facteur de nombreuses réactions enzymatiques.

• Participe à la structure des os (avec Ca).

• Participe à la transmission de l'excitation musculaire.

• Sources : chocolat, poissons.

J. Oligo-éléments Essentiels

• Nécessaires en très faibles quantités.

• Fonctions : cofacteurs enzymatiques, hormonales, structurales.

• Fer (Fe) : Constituant de l'hémoglobine, essentiel au métabolisme énergétique. Carence → anémie ferriprive.

• Fluor (F) : Important pour la structure osseuse et dentaire.

• Zinc (Zn) : Constituant d'enzymes digestives, rôle dans la croissance.

• Cuivre (Cu) : Constituant d'enzymes du métabolisme du fer.

• Sélénium (Se) : Antioxydant (avec vitamine E).

K. Ions et Concentration (C.f. Tableau des Ionogrammes Sanguin et Urinaire)

• L'ionogramme est un examen de laboratoire mesurant la concentration des électrolytes dans les liquides biologiques.

• Exemples de normes sanguines :

  • Sodium (Na) :

  • Potassium (K) :

  • Chlore (Cl) :

  • Bicarbonates () :

  • Calcium (Ca) :

  • Magnésium (Mg) :

  • Phosphore (P) :