Biologie Fondamentale: Atomes et Molécules

Biologie Fondamentale : Les Constitutifs du Vivant et le Métabolisme

Cette synthèse couvre les bases de la biologie fondamentale, en se concentrant sur les éléments chimiques du vivant, l'eau, les gaz, les molécules organiques (glucides, lipides, protides) et les processus métaboliques essentiels.

I. Atomes, Ions et Liaisons

• Isotope : Atome ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

• Ions :

  • Cation : Atome qui perd un électron (charge positive).

  • Anion : Atome qui gagne un électron (charge négative).

• Liaisons :

  • Liaisons fortes :

    • Covalentes : Mise en commun d'électrons.

      • Polaire si atomes différents (ex: O-H).

      • Apolaire si atomes identiques (ex: H-H) ou C-H.

      • Ne se dissocient pas dans l'eau.

      • Les plus fréquentes dans le corps humain.

    • Ioniques : Transfert total d'un électron (ex: NaCl).

  • Liaisons faibles :

    • Hydrogène : Pas d'échange ni de partage d'électrons. Interaction entre atomes ou molécules (ex: H₂O-H₂O, ADN). Nécessite des groupements O-H ou N-H et un atome d'O ou N accessible.

II. Éléments Majeurs du Vivant et Chimie Organique/Inorganique

• Éléments clés : Oxygène (65%), Carbone (18%), Hydrogène (9.5%), Azote (3%). Ils représentent 99% des éléments du vivant et sont la base des molécules organiques.

• Chimie Organique : Molécules contenant Carbone et Hydrogène (Glucides, Lipides, Protides).

• Chimie Inorganique : Molécules ne contenant pas de Carbone, sauf CO₂ et CO.

• Isomères : Deux molécules avec la même formule atomique mais des fonctions différentes.

III. Constituants Inorganiques de l'Organisme

• Sels minéraux : Assemblage de cations et anions liés par liaisons ioniques (ex: Ca²⁺).

• Ions circulants : K⁺, Na⁺, Cl⁻.

• L'eau : Constituant majoritaire (60-80% de la masse corporelle, ~45 L pour 70 kg).

• Classification des éléments :

  • Macroéléments : Quantité importante (ex: Ca²⁺, P, Na⁺, Mg²⁺, S, Cl⁻, K⁺).

  • Oligoéléments : Quantité faible (ex: F⁻, Se, Mn, Zn²⁺, Fe²⁺, I⁻, Cu²⁺).

IV. L'Eau et ses Rôles Clés

• Formule : H₂O.

• Polarité : Charges négatives et positives concentrées aux extrémités. L'oxygène est négatif, l'hydrogène positif.

  • Permet des liaisons hydrogène faibles.

  • Rend l'eau un solvant polaire efficace.

• Distribution dans l'organisme :

  • Milieu intracellulaire

  • Milieu extracellulaire

• Rôles :

  • Solvant universel : Les solutés polaires (groupements O-H, N-H) sont hydrophiles et solubles. Les solutés apolaires sont hydrophobes et insolubles.

  • Régulateur thermique : Transpiration (passage liquide à gazeux).

  • Rôle acido-basique : L'eau est amphotère (acide et base).

    • Cède : acide ( ou ).

    • Capte : base ().

    • Le pH est déterminé par la concentration en .

V. Gaz Importants pour le Vivant

• Oxygène (O₂) :

  • 21% de l'air.

  • Comburant : essentiel à la combustion des aliments pour l'énergie.

  • Transporté par l'Hémoglobine (Hb) : 1 Hb transporte 4 O₂.

  • Le site de fixation de l'Hb n'est pas spécifique (ex: CO, CN⁻).

• Dioxyde de Carbone (CO₂) :

  • Rôle dans la respiration (échanges gazeux).

  • Transporté sous forme dissoute ou combinée ( ou fixé à l'Hb).

• Monoxyde de Carbone (CO) :

  • Gaz très toxique.

  • Se lie à l'Hb avec une affinité 30 fois supérieure à l'O₂.

  • Traitement : oxygénothérapie hyperbare.

VI. Molécules Organiques du Vivant

Constituants essentiels des cellules, formées de C, H, O, N.

A. Glucides

• Composés de C, H, O. Appelés oses ou hydrates de carbone.

• Rôle essentiel dans le métabolisme et la production d'énergie.

• Formes :

  • Oses simples (Monosaccharides) :

    • Glucose () : Hexose, aliment énergétique du cerveau.

    • Fructose, Galactose.

    • Ribose (pentose) : constituant ARN, ATP.

    • Désoxyribose : constituant ADN.

  • Diholosides (Disaccharides) : Deux oses simples liés par liaison osidique.

    • Saccharose (glucose + fructose).

    • Lactose (glucose + galactose).

    • Maltose (glucose + glucose).

  • Polyosides (Polysaccharides) : Polymères d'oses liés par liaisons osidiques.

    • Glycogène : Polymère de glucose, stockage du glucose (foie, muscles).

    • Amidon : Polymère de glucose, réserve végétale.

    • Cellulose : Fibres alimentaires (transit intestinal).

  • Glucides Complexes Associés :

    • Glycolipides : Glucose + Lipides (membrane cellulaire, groupes sanguins).

    • Glycosaminoglycanes : Majorité de glucose + 1 protéine (Héparine, Acide hyaluronique).

    • Glycoprotéines : Glucose + majorité de protéines (fonctionnement des protéines).

B. Lipides

• Molécules hydrophobes (insolubles dans l'eau).

• Fonctions : source d'énergie et structurale. Digestion facilitée par la bile.

• Formes :

  • Acides Gras (Lipides Simples) : Chaînes carbonées avec fonction carboxylique (-COOH).

    • Saturés : Pas de doubles liaisons (viande).

    • Insaturés/Polyinsaturés : Doubles liaisons (poissons, végétaux).

    • Essentiels : Non synthétisés par l'organisme (ex: ω3, ω6).

  • Glycérides : Glycérol + 1 à 3 acides gras.

    • Triglycérides : Réserve d'énergie (tissus adipeux).

  • Phospholipides (Lipides Complexes) :

    • Amphiphiles (partie hydrophile et partie hydrophobe).

    • Rôle : structure des membranes plasmiques.

  • Stérols : Ex: Cholestérol.

    • Molécule complexe, amphiphile.

    • Transporté par LDL (« mauvais » cholestérol) et HDL (« bon » cholestérol).

    • Rôle : fluidité des membranes plasmiques, précurseur hormones stéroïdes (œstrogène, testostérone), vitamine D, sels biliaires.

  • Vitamines liposolubles : A, D, E, K.

C. Protides

• Composés d'une fonction carboxylique (-COOH) et d'une fonction amine (-NH₂).

• Ne sont pas stockés. Utilisés pour la synthèse des protéines ou dégradés.

• Rôle essentiel : renouvellement cellulaire, croissance, réparation des tissus.

• Formes :

  • Acides Aminés (Protides Simples) :

    • 20 AA protéinogènes : 8 essentiels (apport alimentaire), 12 non-essentiels.

    • Peuvent former des amines biogènes (ex: histamine, adrénaline, sérotonine).

  • Protéines : Enchaînement d'acides aminés liés par liaisons peptidiques.

    • 20 AA = Peptide.

    • 100 AA = Polypeptide.

    • 100 AA = Protéine.

  • Rôles des protéines :

    • Structure (collagène).

    • Mouvement (actine, myosine).

    • Défense immunitaire (immunoglobulines).

    • Transport (hémoglobine).

    • Signalisation (hormones, récepteurs).

  • Enzymes : Protéines accélératrices de réactions chimiques (catalyseurs), spécifiques.

VII. Nutrition et Métabolisme Énergétique

• Nutrition : Processus d'utilisation des nutriments pour les fonctions vitales.

  • Macronutriments : Glucides (G), Lipides (L), Protides (P) – besoin en grande quantité.

  • Micronutriments : Vitamines, minéraux – besoin en petite quantité.

• ANR (Apport Nutritionnel Recommandé) :

  • Femme : 2200 Kcal/jour.

  • Homme : 2700 Kcal/jour.

  • Ratio énergétique : 50-55% Glucides, 30-35% Lipides, 10-12% Protides.

  • Valeurs caloriques : Lipides (9 kcal/g), Protides (4 kcal/g), Glucides (4 kcal/g).

• Métabolisme : Ensemble des réactions chimiques qui produisent/utilisent de l'énergie.

  • Anabolisme (synthèse/construction) : consomme de l'énergie.

  • Catabolisme (dégradation) : produit de l'énergie.

• Métabolisme Aérobie : Avec O₂.

  • Oxydation des glucides en présence d'O₂ .

  • Énergie stockée sous forme d'ATP (Adénosine Triphosphate).

  • L'ATP se transforme en ADP (Adénosine Diphosphate) + Phosphore lors de l'utilisation.

• Métabolisme Anaérobie : Sans O₂.

VIII. Utilisation de l'Énergie et Localisation des Réactions

• Utilisation de l'énergie (ATP) :

  • Anabolisme (ex: synthèse glycogène).

  • Détoxication (ex: élimination azote via synthèse d'urée).

  • Maintien de l'équilibre osmotique (pompe Na+/K+ qui consomme >50% de l'ATP).

• Localisation des réactions dans la cellule :

  • Cytosol (Hyaloplasme) :

    • Production de 20-30% de l'ATP à partir des glucides seulement.

  • Mitochondrie (Organite) :

    • Production de 70-80% de l'ATP à partir des glucides et lipides.

    • Comprend :

      • Décarboxylation du pyruvate (formation d'Acétyl-Coenzyme A).

      • Cycle de Krebs : Libère des protons , leur flux produit l'ATP.