Les molécules 

Ces notes explorent les fondements de la biologie et de la biochimie, en se concentrant sur les principaux constituants du vivant et les processus énergétiques. Elles couvrent les bases de la chimie, les macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques), le métabolisme, et la nutrition, fournissant une compréhension structurée de ces concepts essentiels.

Les fondements de la biochimie

L'Atome et les Liaisons Chimiques

• Les atomes tendent à atteindre une configuration électronique stable, souvent avec 8 électrons (un octet) sur leur couche externe.

• Liaisons Fortes (Covalentes) : Elles impliquent le partage d'électrons entre atomes.

  • Liaisons simples

  • Liaisons doubles

• Liaisons Faibles :

  • Liaisons ioniques (en solution aqueuse)

  • Liaisons de Van Der Waals

  • Liaisons hydrogène

Les Différents Éléments

Éléments Majeurs

• Constituants des molécules organiques (carbone, hydrogène, oxygène, azote, phosphore, soufre).

• Nécessaires en grande quantité.

• Peuvent être à l'état solide (ex: calcium dans les os) ou dissous (ex: ions Na+, K+ dans le sang).

• Rôles :

  • Structurel

  • Équilibre du pH

Oligo-éléments

• Nécessaires en très faibles quantités.

• Souvent issus de sels minéraux.

• Un excès peut être léthal (toxicité au fer ou au sélénium).

• Rôles :

  • Cofacteurs enzymatiques (Zn, Cu, Mn, Fe...)

  • Structurel

  • Antioxydants (luttent contre les radicaux libres : Se, Zn, Cu, Mn)

Les Macromolécules Biologiques

Il existe quatre grandes familles de macromolécules :

• Glucides (sucres)

• Lipides (gras, huiles, stéroïdes)

• Protéines

• Acides nucléiques

Les Glucides

• Définition : Composés organiques formés d'au moins 3 atomes de carbone, avec la formule chimique . Ils contiennent des fonctions alcool, cétone ou aldéhyde (Source 15).

• Classification :

  • Monosaccharides (1 molécule de sucre) :

    • Glucose (hexose)

    • Fructose

    • Galactose

  • Disaccharides (2 molécules de sucre) :

    • Saccharose (glucose + fructose)

    • Lactose (glucose + galactose)

    • Maltose (glucose + glucose)

  • Oligosaccharides (2-10 molécules de sucre) :

    • Raffinose

    • Stachyose

  • Polysaccharides (+10 molécules de sucre) :

    • Amidon

    • Glycogène : macromolécule de D-glucose, polymère arborescent, formule . C'est la molécule de réserve animale. Le foie stocke plus en concentration relative, les muscles en contiennent plus en quantité totale.

    • Cellulose

  • Rôle spécifique :

    • Structurel : désoxyribose (ADN) et ribose (ARN).

  Les Lipides

  • Caractéristiques : Famille hétérogène (acides gras, stérols, glycérides).

  • Composants :

    • Acides gras : saturés ou insaturés. Peuvent faire partie d'un triglycéride après estérification avec un glycérol.

    • Glycérol : Composant des triglycérides.

    • Triglycérides : Les plus abondants, principaux constituants des graisses animales, huiles végétales et produits laitiers. Source d'énergie (ATP) et stockés sous forme de gouttelettes lipidiques.

    • Cholestérol : Lipide de la famille des stérols (noyau cyclique). Précurseur des acides aminés, synthétisé par le foie, régule la fluidité membranaire, stabilise les membranes des cellules animales, et joue un rôle dans la digestion des lipides. Le cholestérol est essentiel à l'organisme, il compose les membranes cellulaires et participe à la synthèse d'hormones.

  • Lipides alimentaires :

    • 1g de lipides fournit 9 kcal.

    • La ration calorique journalière recommandée est de 35 à 40 %.

    • Apportent saveur, texture, et arômes.

    • Graisses cachées : dans les biscuits, plats préparés, viennoiseries, charcuteries.

    • Acides gras essentiels (oméga 3 et oméga 6) : doivent provenir de l'alimentation. Ils réduisent les risques cardiovasculaires, l'hypertension artérielle, le cholestérol et sont cruciaux pour le développement cérébral.

    • HDL (« bon » cholestérol) : empêche la formation de plaques d'athérosclérose en transportant le surplus de cholestérol au foie pour élimination.

    • LDL (« mauvais » cholestérol) : distribue l'excès de cholestérol aux organes, favorisant les dépôts lipidiques sur les artères.

  Les Protéines

  • Définition : Molécules complexes constituées d'acides aminés. Une protéine est considérée de qualité si elle contient les 9 acides aminés essentiels.

  • Acides aminés :

    • Peuvent être sous forme libre ou liés pour former des protéines.

    • Acides aminés essentiels : ne peuvent pas être synthétisés par l'organisme et doivent être apportés par l'alimentation. Leur rôle est crucial dans la croissance musculaire, la synthèse des protéines, des enzymes et des hormones.

    • Acides aminés non essentiels : Arginine, Glycine, Alanine, Sérine, Tyrosine, Cystéine, Asparagine, Glutamine, Proline, Acide Aspartique, Acide Glutamique.

    • Acides aminés essentiels : Valine, Isoleucine, Leucine, Méthionine, Lysine, Phénylalanine, Tryptophane, Thréonine, Histidine.

    • Acide aminé limitant : l'acide aminé présent en plus faible quantité dans un aliment, limitant l'utilisation nette des protéines. Une combinaison de légumineuses et céréales permet d'apporter tous les acides aminés essentiels pour les végétariens.

  • Liaison peptidique : La liaison qui unit les acides aminés pour former les peptides et les protéines.

  • Structure des protéines :

    • Primaire : Séquence linéaire d'acides aminés.

    • Secondaire : Formes locales régulières (hélices alpha, feuillets bêta).

    • Tertiaire : Repliement tridimensionnel global d'une chaîne polypeptidique.

    • Quaternaire : Assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques.

    • Dénaturation : perte de la structure tridimensionnelle par chaleur ou variation de pH.

  • Rôles :

    • Structurels (55 à 80% du poids sec des tissus) et fonctionnels (synthèse de fibres musculaires, hormones, anticorps, transporteurs sanguins).

    • Enzymatique : les enzymes sont des protéines qui catalysent des réactions biologiques spécifiques (ex : digestion).

  • Exemples de protéines :

    • Histamine : puissant vasodilatateur, augmente la perméabilité capillaire, provoque une bronchoconstriction, active les cellules inflammatoires, stimule les sécrétions gastriques, et a des effets variés sur le système nerveux.

    • Insuline : hormone peptidique (petite protéine) produite par le pancréas, régule le taux de glucose sanguin en permettant son entrée dans les cellules.

    • Hémoglobine : achemine l'oxygène vers les organes et les tissus et les débarrasse du dioxyde de carbone. Elle contient du fer.

    • Collagène : protéine la plus abondante du corps humain, composant majoritaire des tissus conjonctifs, protéine fibreuse. Essentielle pour la santé de la peau, le soutien des articulation et la récupération musculaire.

  • Sources : Animales et végétales. Les protéines animales contiennent tous les acides aminés essentiels. Les végétariens doivent combiner diverses sources végétales pour atteindre un profil complet.

  • Apports nutritionnels :

    • 1g de protide fournit 4 kcal.

    • La ration calorique journalière est de 10 à 15 %.

    • Le catabolisme des protides produit de l'urée, de l'ammoniac, de l'acide urique, et de la créatinine, éliminés par le rein. L'accumulation de ces produits peut être toxique en cas d'insuffisance rénale ou d'excès protéique.

  Les Acides Nucléiques

  • Définition : Macromolécules organiques constituées d'une succession de nucléotides, dont la séquence forme un code génétique.

  • Types :

    • Acides désoxyribonucléiques (ADN)

    • Acides ribonucléiques (ARN)

  • Composants : Composés d'un sucre (ribose pour l'ARN, désoxyribose pour l'ADN), un groupe phosphate, et une base azotée.

  • Bases azotées :

    • Purines : Adénine (A), Guanine (G)

    • Pyrimidines : Cytosine (C), Thymine (T) dans l'ADN, Uracile (U) dans l'ARN.

  Les Réactions Chimiques et l'Énergie

  Métabolisme

  • Ensemble des processus chimiques se produisant dans le corps pour créer et utiliser l'énergie. Il est finement régulé pour assurer l'homéostasie.

  • Catabolisme : Dégradation de molécules complexes (grandes) en molécules simples, libérant de l'énergie. (dégrade)

  • Anabolisme : Synthèse de molécules complexes à partir de molécules simples, nécessitant de l'énergie. (crée)

  • Le métabolisme correspond au contrôle de l'utilisation de l'énergie.

  Énergie et ATP

  • L'ATP (Adénosine Triphosphate) est la principale molécule de stockage et de transfert d'énergie.

  • Sa production a lieu dans toutes les cellules de l'organisme.

  • Une molécule d'ATP libère environ 30,5 kJ (5,06 × 10⁻²⁰ J par molécule) lorsqu'elle est hydrolysée en ADP (Adénosine Diphosphate).

  • Unités d'énergie :

    • Joule (J) : unité internationale. .

    • Calorie (cal) : quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau de 1°C. .

    • Conversion : , .

  • Apport énergétique des macronutriments :

    • 1 g de glucides fournit 4 kcal

    • 1 g de protides fournit 4 kcal

    • 1 g de lipides fournit 9 kcal

    • 1 g d'alcool fournit 7 kcal

  • Besoins caloriques quotidiens : varient selon l'âge, le sexe, la grossesse, l'allaitement et le niveau d'activité physique.

    • Homme : 2100 Kcal (faible activité) à 3500 Kcal (forte activité).

    • Femme : 1800 Kcal (faible activité) à 2800 Kcal (forte activité).

  • La dépense énergétique basale (métabolisme de base) représente environ 60 à 70% de la dépense énergétique totale.

  • L'équilibre entre les apports et les dépenses énergétiques est crucial pour le maintien du poids et une bonne santé.

  Le métabolisme est finement régulé pour assurer l'homéostasie (équilibre interne).

  Nutrition et Santé

  Nutrition

  • Ensemble des phénomènes permettant aux cellules de se nourrir. Apporte les nutriments essentiels au fonctionnement de l'organisme.

  Vitamines

  • Substances chimiques nécessaires au bon fonctionnement de l'organisme, souvent non synthétisables. Elles agissent comme cofacteurs dans le métabolisme des macronutriments.

  • Classées comme micronutriments, aux côtés des oligo-éléments.

  • Vitamines hydrosolubles (solubles dans l'eau) :

    • Groupe B (B1, B2, B3, B5, B6, B8, B9, B12) et Vitamine C.

    • Présentes dans viandes, poissons, fruits frais.

    • Peu de risques de surdosage car éliminées dans les urines.

    • Exemples de déficits : Vitamine B9 chez la femme enceinte, Vitamine C chez les fumeurs.

  • Vitamines liposolubles (solubles dans les graisses) :

    • A, D, E, K.

    • Transportées par les lipides (huiles d'assaisonnement), stockées dans les tissus adipeux (D, E) et le foie (A).

    • Risque de toxicité en cas de surdosage du fait de leur accumulation.

  Fibres Alimentaires

  • Mélanges complexes de glucides d'origine végétale résistants à la digestion intestinale.

  • N'ont pas de valeur nutritionnelle apparente mais sont cruciales pour le transit intestinal.

  • Apport recommandé : 25g/jour.

  • Rôles :

    • Augmentent le volume du bol alimentaire.

    • Contribuent au bon fonctionnement du transit intestinal.

    • Métabolisées par le microbiote intestinal en produits influençant les métabolismes et fonctions corporelles (immunité, fonctions hépatiques, fonctionnement cérébral).

  • Types :

    • Fibres insolubles : parcourent le tube digestif sans se transformer, stimulent le transit et augmentent le volume/fréquence des selles. Présentes dans l'enveloppe des fruits et légumes, céréales complètes, riz complet, feuilles, racines, féculents, oléagineux, cacao brut.

  • Carence : peut entraîner constipation ou diarrhée.

  Plans Nationaux Nutrition Santé (PNNS)

  • Programmes visant à améliorer la santé de la population via la nutrition. Le PNNS 5 a débuté en septembre 2025.

  • Recommandations génériques :

    • Augmenter : Consommation de fruits et légumes (5 par jour, ex: 3 légumes, 2 fruits), poissons (au moins 2 par semaine, dont 1 gras), légumineuses, céréales complètes, fruits à coque (petite poignée/jour).

    • Aller vers : Privilégier les volailles, huiles riches en Omega 3 et 6 (colza, noix, olive), le fait maison, les produits de saison, locaux et bio.

    • Réduire : Boissons sucrées, aliments gras, sucrés, salés et ultra-transformés. Limiter les autres viandes à 500g/semaine, la charcuterie à 150g/semaine. Réduire la consommation de sel.

    • Alcool : Maximum 2 verres par jour, pas tous les jours (pour les femmes), 2 verres pour les hommes.

    • Activité physique : Au moins 30 minutes de marche rapide par jour pour les adultes, 1 heure pour les enfants. Limiter le temps assis.

  Dénutrition

  • État pathologique résultant d'apports nutritionnels insuffisants par rapport aux dépenses énergétiques.

  • Groupes à risque : Personnes âgées, patients hospitalisés, malades chroniques, enfants vulnérables.

  • Facteurs : Déficit alimentaire, malabsorption, maladies chroniques, inflammations, pertes métaboliques accrues.

  • Conséquences : Aggrave la récupération, favorise les infections, retarde la cicatrisation, augmente la morbi-mortalité.

  • Causes liées au vieillissement : perte de masse musculaire (sarcopénie), diminution de l'appétit, comorbidités.

  • Effets sur les réserves :

    • Glycogène hépatique : réserves limitées (12 à 24 heures).

    • Lipides : réserves lipidiques.

    • Protéines musculaires : leur fonte est globale (muscles squelettiques, respiratoires, myocarde), entraînant faiblesse et altération des fonctions.

  • Adaptation métabolique en cas de jeûne :

    • Recours aux corps cétoniques pour prolonger la survie.

    • En jeûne : les acides gras sont convertis en Acétyl-CoA par β-oxydation, puis vers la cétogenèse (au lieu du cycle de Krebs).

    • Acidocétose : accumulation de cétones peut abaisser dangereusement le pH sanguin (symptômes : maux de tête, fatigue, crampes, constipation, palpitations, mauvaise haleine).

  • Importance du glucose :

    • Les globules rouges dépendent uniquement du glucose pour produire de l'ATP (n'ont pas de mitochondries).

    • Le cerveau utilise principalement le glucose, mais peut utiliser les corps cétoniques en jeûne prolongé.

    • Le maintien d'une glycémie minimale est vital.

  • Maintien de la masse maigre : C'est une priorité de l'organisme. Elle représente 70 à 90 % du poids corporel (os, muscles, organes, peau, liquides) et détermine le métabolisme de base.

  Points clés à retenir

  • Les notions d'atome, de liaisons chimiques, et d'éléments sont fondamentales pour comprendre la matière vivante.

  • Les quatre grandes familles de biomolécules (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques) ont des structures et des fonctions distinctes mais interconnectées, essentielles à la vie.

  • Le métabolisme, via le catabolisme et l'anabolisme, assure la production et l'utilisation de l'énergie (ATP), indispensable à toutes les fonctions cellulaires.

  • Une alimentation équilibrée, riche en macronutriments (protides, lipides, glucides) et micronutriments (vitamines, oligo-éléments, fibres), est cruciale pour le maintien de l'homéostasie et la prévention de la dénutrition.

  • La compréhension des besoins énergétiques et des recommandations nutritionnelles permet d'adopter des comportements sains.