Module 1 : Éléments chimiques du vivant

Biochimie : Constitution de la Matière Vivante

Ce cours de biologie fondamentale, dispensé par Clement Lelievre de l'UE 2.1.S1, explore les composants chimiques et organisationnels de la matière vivante, des atomes aux molécules complexes et aux systèmes biologiques.

I. Notions de Base de Chimie

Définitions Fondamentales

• Atome : La plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement. Composé d'un noyau (protons et neutrons, appelés nucléons) et d'électrons gravitant autour.
• Numéro Atomique (Z) : Nombre d'électrons = nombre de protons.
• Nombre de Masse (A) : Nombre de nucléons = protons + neutrons.
• Isotopes : Atomes du même élément (même Z) mais avec un nombre de neutrons différent (A différent). Les radio-isotopes sont utilisés en médecine pour l'imagerie (ex: Thallium pour le cœur, Technétium pour les os et l'inflammation).
• Molécule : Ensemble d'au moins deux atomes, identiques ou non, unis par des liaisons chimiques pour atteindre une stabilité.

Types de Liaisons Chimiques

Les atomes s'associent pour gagner en stabilité via des liaisons :

• Liaison Covalente : Partage d'un ou plusieurs doublets d'électrons entre deux atomes.
  • Simple (partage d'une paire d'électrons)
  • Double (partage de deux paires d'électrons)
  • Triple (partage de trois paires d'électrons)
• Liaison Ionique : Transfert d'un ou plusieurs électrons d'un atome à un autre, créant des ions chargés. Les charges opposées maintiennent les ions ensemble dans des réseaux ioniques.
  • Anion : Ion chargé négativement (gain d'électrons).
  • Cation : Ion chargé positivement (perte d'électrons).

Molécules Organiques et Inorganiques

• Molécules organiques : Contiennent au moins un atome de carbone et de l'hydrogène (lipides, protides, glucides, vitamines).
• Molécules inorganiques ou minérales : Ne contiennent pas de carbone associé à l'hydrogène (eau, sels minéraux, oligo-éléments).

Macronutriments fournissent de l'énergie (lipides, glucides, protides). Micronutriments (vitamines, sels minéraux, oligo-éléments) sont essentiels mais ne fournissent pas d'énergie.

II. Les Éléments Chimiques Constitutifs du Vivant

L'organisme est composé de milliers de molécules, avec une répartition moyenne (pour un adulte) :

• Eau : ~60%
• Protéines : ~16%
• Lipides : ~13%
• Minéraux : ~5%
• Glucides : ~2%

Métabolisme

• Métabolisme : Ensemble des processus chimiques pour acquérir et utiliser l'énergie.
• Catabolisme : Réactions de dégradation qui libèrent de l'énergie (sous forme d'ATP - Adénosine TriPhosphate).
• Anabolisme : Réactions de synthèse qui consomment de l'énergie (via l'ATP).

1. L'Eau (H₂O)

• Indispensable à la vie : Constitue plus de 60% du poids corporel.
• Localisation :
  • 2/3 intra-cellulaire
  • 1/3 extra-cellulaire (80% liquide interstitiel, 20% plasma)
• Fonctions :
  • Rôle de transport (solvant et diffusion).
  • Support des réactions chimiques (hydrolyse).
  • Régulation thermique.
• Bilan Hydrique (entrées/sorties par jour) : Environ 2300 à 2500 ml.

2. Les Micronutriments : Ions et Sels Minéraux

Essentiels pour les mouvements de l'eau, la conduction nerveuse, la contraction musculaire, etc.

Oligo-éléments

Présents en traces mais indispensables :

• Chrome (Cr) : Régule l'insuline et la tension artérielle.
• Cobalt (Co) : Améliore la circulation, composant de la vitamine B12.
• Cuivre (Cu) : Antiviral, anti-inflammatoire, absorption du fer.
• Fluor (F) : Santé des os et des dents.
• Iode (I) : Métabolisme de base (thyroïde), développement psychomoteur.
• Sélénium (Se) : Antioxydant, défense de l'organisme.
• Zinc (Zn) : Régulateur endocrinien, synthèse de la kératine/collagène.

3. Les Macromolécules (Polymères)

Les monomères sont des unités constitutives qui s'associent par liaisons covalentes pour former des polymères.

a. Les Lipides

Molécules hydrophobes, solubles dans les solvants organiques. Rôles : réserve d'énergie, structural, fonctionnel (hormones).

• Lipides simples :
  • Acides gras : Acides carboxyliques. Peuvent être :
    • Saturés : Pas de double liaison (solides à T° ambiante, ex: beurre, peuvent se déposer sur les artères).
    • Insaturés : Double(s) liaison(s) (liquides à T° ambiante, ex: huile d'olive, ne s'agglutinent pas).
    • Essentiels : Non synthétisés par l'organisme (ex: acide linoléique).
  • Glycérides : Lipides formés à partir de glycérol, comme les triglycérides (95% des lipides de l'organisme, réserve d'énergie).
  • Stérides : Acides gras estérifiant des stérols (dérivés du cholestérol). Ex: Oléate de cholestérol (réserve de cholestérol dans les cellules).
• Lipides complexes :
  • Phospholipides : Composés de glycérol, deux acides gras, un groupement phosphate. Principal constituant des membranes biologiques (tête polaire hydrophile, queues apolaires hydrophobes).

b. Les Glucides (Sucres)

Composés organiques avec une fonction carbonylée et des fonctions alcools. Rôles : énergétique (carburant des cellules), structurel, fonctionnel (marqueurs cellulaires).

• Unité de base : L'ose (monosaccharide).
  • Pentoses (5 carbones) : Ribose, désoxyribose (structure des acides nucléiques).
  • Hexoses (6 carbones) : Glucose (carburant métabolique), fructose, galactose.
• Disaccharides : Formés de deux oses (ex: saccharose, lactose).
• Oligosides : 2 à 10 oses.
• Polyosides (Polysaccharides) : Supérieur à 10 oses (ex: amidon, glycogène – polymères de glucose pour le stockage).

c. Les Protides (Protéines)

Formées de monomères appelés acides aminés, liés par des liaisons peptidiques.

• Peptides : Moins de 10 acides aminés.
• Polypeptides : Moins de 100 acides aminés.
• Protéines : Plus de 100 acides aminés.

Il existe 20 acides aminés protéinogènes. Neuf sont dits essentiels ou indispensables car non synthétisables par l'organisme (histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane, valine).

• Structure primaire : Séquence linéaire des acides aminés.
• Structure tridimensionnelle : Repliement de la chaîne linéaire. Cette structure confère à la protéine ses propriétés.

Rôles variés et indispensables :

• Plastique : Collagène (peau).
• Fonctionnel :
  • Hormones (insuline).
  • Enzymes (biocatalyseurs) : Molécules protéiques qui catalysent et accélèrent les réactions du métabolisme.
  • Neuromédiateurs.
  • Anticorps (immunologie).
  • Transporteurs (hémoglobine).

d. Les Vitamines

Substances organiques essentielles au métabolisme, non synthétisables en quantité suffisante par l'organisme. Ne fournissent pas d'énergie.

• Vitamines liposolubles : A, D, E, K (se dissolvent dans les graisses).
• Vitamines hydrosolubles : B1, B2, B6, B12, niacine, acide pantothénique, acide folique, biotine, C (se dissolvent dans l'eau).

Constantes Biologiques (Exemples)

• Glycémie (sujet non diabétique) : 0,8 à 1,2 g/L (soit 4,4 à 6,6 mmol/L). Pour convertir g/L en mmol/L, multiplier par 5,55 (pour le glucose).
• Homeostasie : État d'équilibre dynamique du milieu intérieur.
  • Natrémie (Na⁺) : 136-145 mmol/L
  • Kaliémie (K⁺) : 3,5-4,9 mmol/L
  • Calcémie (Ca²⁺) : 4,6-5,5 mmol/L
  • Chlorémie (Cl⁻) : 100-110 mmol/L