Molécules du Vivant : Composition et Fonctions

Les Molécules du Vivant : Fiche Récapitulative

1. Les Molécules Inorganiques (Minérales)

Elles ne sont pas constituées d'un squelette carboné (sauf CO₂, HCO₃⁻, CO).

L'Eau () : Principal Constituant 70% du corps

• Propriétés :
  • Principal solvant biologique (poléaire).
  • Propriétés de solvation :
  • Participe aux réactions chimiques : hydrolyse (cassure par ajout d'eau) et condensation (formation par retrait d'eau).
  • Permet la thermorégulation (sudation).
• Répartition dans le corps : Hétérogène, dépend de l'âge/sexe/masse adipeuse.
  • Équilibre hydroélectrolytique :
  • Vérifié par ionogramme sanguin.

Le Dioxygène ()

• 21% de l'air.
• Indispensable à la respiration cellulaire et à la production d'énergie.
• Transporté via l'hémoglobine (nécessite Fer).
• Terminologie :
  • Hypoxie :
  • Hypoxémie :
  • Ischémie :

L'Azote () et ses Dérivés

• 78% de l'air.
• Monoxyde d'azote (NO) :
• Source d'azote unique :protéines (pour les molécules organiques).
• Dérivés : ammoniac (), urée, acide urique.

Les Molécules Inorganiques Contenant du Carbone

• CO₂ :
• HCO₃⁻ (bicarbonate) :
• CO :

Les Macroéléments

• Phosphates (PO₄³⁻) :
  • Stockage d'énergie (ATP, GTP).
  • Maintien du pH sanguin (~7,4, rôle tampon).
  • Phosphorylation des protéines.
  • Formation des membranes (phospholipides) et de l'os (avec Ca).
• Sodium (Na⁺), Potassium (K⁺) et Chlore (Cl⁻) :
  • Na⁺ :
  • K⁺ :
  • Cl⁻ :
  • Anomalies :
  • Hypernatrémie :
  • Hyponatrémie :
  • Hyperkaliémie :
  • Hypokaliémie :

Les Lipides

• ~20% du poids corporel.
• Insolubles dans l'eau (hydrophobes), transportés par lipoprotéines dans le sang.
• Rôles :
  • Réserve d'énergie :
  • Constituants membranaires :
  • Précurseurs hormonaux :
  • Transport de vitamines liposolubles.
• Acides gras :
• Lipides simples :
• Lipides complexes :
• Bilan lipidique :Hypercholestérolémie/Hypertriglycéridémie :

Les Acides Nucléiques

• Bases moléculaires du matériel génétique :
• Unités de base : nucléotides (groupement phosphate + sucre + base azotée).
• Bases Azotées : Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T) [pour ADN], Uracile (U) [pour ARN].
• Nucléosides :
• ADN (Acide désoxyribonucléique) :
  • Constitué de désoxyribose et des bases A, T, C, G.
  • Double brin (bicaténaire).
  • Situé principalement dans le noyau, subdivisé en chromosomes (23 paires chez l'humain).
  • Contient l'information génétique (séquence des gènes détermine séquence des protéines).
• ARN (Acide ribonucléique) :
  • Plus petits que l'ADN, durée de vie courte.
  • Constitué de ribose et des bases A, U, C, G.
  • Simple brin.
  • Produits dans le noyau, exportés vers le cytoplasme.
  • Fonctions variées :
• ATP (Adénosine Triphosphate) :
• Molécule énergétique universelle.
• Chaque jour, nous consommons notre poids en ATP.
• Production : (dégradation des nutriments, mitochondries).
• Utilisation :

Les Vitamines

• Nécessitent une alimentation équilibrée car l'organisme ne les synthétise pas toutes.
• Carences :
• Excès :
• Classification :
  • Hydrosolubles :
  • Vit B (B1 à B12) :
  • Vit C (Acide L-ascorbique) :Carence : Scorbut).
• Liposolubles :
• Vit A :Carence : problèmes de vision, Excès : malformations fœtales).
• Vit D :Carence : rachitisme, ostéomalacie).
• Vit E :
• Vit K :Carence : hémorragies).

3. Intégration des Biomolécules

Les molécules du vivant constituent les organites, qui eux-mêmes forment les cellules, puis les tissus.

Les Molécules du Vivant : Une Exploration Approfondie

1. Introduction aux Molécules et à la Matière

La vie, sous toutes ses formes, est une collection organisée de matière, et l'unité fondamentale de cette matière est l'atome. L'atome est le plus petit fragment permettant de différencier un élément chimique d'un autre (). Il se compose d'un noyau chargé positivement (contenant des protons et des neutrons) et d'électrons chargés négativement qui gravitent autour de ce noyau (, , ).

Les atomes peuvent s'unir pour former des molécules, des combinaisons stables d'atomes liées par le partage d'électrons (). Ces liaisons peuvent être de deux types principaux :

• Liaison covalente : Stable, solide et difficile à rompre, elle implique le partage d'une paire d'électrons entre deux atomes. Elle est souvent symbolisée par un trait unique reliant les atomes ().
• Liaison ionique : Faible et facilement dissociable en solution, elle résulte de l'attraction électrique entre des ions de charges opposées (un cation chargé positivement et un anion chargé négativement). Elle est symbolisée par des charges positives et négatives ().

Un ion est une entité chargée formée lorsqu'un atome perd ou gagne un ou plusieurs électrons lors d'une réaction chimique. La perte d'électrons produit un cation (+), tandis que le gain d'électrons forme un anion (-) ().

Les substances peuvent être des éléments (constituées d'un seul type d'atome, comme , , ) ou des composés (molécules formées d'atomes différents, comme , , , ) (, , ).

2. Les Molécules Inorganiques (Minérales) du Vivant

Les molécules inorganiques sont des substances qui ne reposent pas sur un squelette de carbone pour leur structure principale. Elles sont néanmoins cruciales pour la vie.

2.1 L'Eau ()

L'eau est le constituant principal de la matière vivante, représentant environ 70% de la masse totale du corps humain (, ). Ses propriétés uniques sont essentielles au maintien de la vie :

• Solvant universel : Grâce à sa structure polaire et la répartition des charges (l'oxygène est partiellement négatif et les hydrogènes partiellement positifs), l'eau peut dissoudre de nombreuses substances (solutés) sans les modifier, formant ainsi des solutions (). Par exemple, l'eau salée est une solution de dans l'eau, et les liquides internes comme le plasma sanguin sont des solutions complexes (, ). Cependant, l'eau n'est pas un solvant universel pour les molécules apolaires (hydrophobes) comme les lipides (ex: huile) ().
• Rôle dans les réactions chimiques : L'eau participe activement aux processus biologiques tels que l'hydrolyse (rupture de liaisons par addition d'eau) et la condensation (formation de liaisons par élimination d'eau) ().
• Thermorégulation : Sa capacité à absorber et libérer de la chaleur permet à l'organisme de maintenir une température constante, notamment par la sudation et l'évaporation ().
• Répartition hétérogène dans l'organisme : La proportion d'eau dans le corps varie selon l'âge, le sexe et la masse adipeuse (). Elle est répartie dans différents compartiments liquidiens : milieu intracellulaire (à l'intérieur des cellules), plasma (partie liquide du sang) et milieu interstitiel (autour des cellules), ces deux derniers formant le milieu extracellulaire ().
• Équilibre hydroélectrolytique : Les compartiments liquidiens contiennent des électrolytes (ions) essentiels (). Leur équilibre est vital pour le bon fonctionnement de l'organisme. Un ionogramme sanguin est utilisé pour vérifier cet équilibre, et des déséquilibres (ex: , , ) sont souvent associés à des pathologies ().

2.2 Le Dioxygène ()

Le dioxygène représente 21% de l'air (). Il est crucial pour la vie aerobie :

• Transport : Il est absorbé au niveau des alvéoles pulmonaires et transporté aux cellules par l'hémoglobine des hématies, un processus qui implique le Fer ().
• Respiration cellulaire : Indispensable aux cellules pour la production d'énergie ().
• Terminologie liée au manque d'oxygène :
  • Hypoxie : Insuffisance d'apports d'oxygène au niveau cellulaire.
  • Hypoxémie : Diminution de la quantité d'oxygène dans le sang.
  • Ischémie : Diminution très importante de l'apport en aux tissus, pouvant entraîner des dommages graves comme l'infarctus ().

2.3 L'Azote et ses Dérivés

L'azote () constitue 78% de la composition de l'air (). S'il est présent en grande quantité sous forme moléculaire dans l'atmosphère, il est incorporé dans les molécules du vivant sous diverses formes :

• Source primaire : La seule source d'azote de l'organisme est les protéines, qui sont ensuite dégradées en acides aminés ().
• Composés azotés :
  • Monoxyde d'azote (NO) : Un neurotransmetteur important ().
  • Dérivés d'acides aminés : Constituent les bases azotées de l'ADN et de l'ARN, ainsi que certains lipides complexes ().
  • Produits de dégradation : Notamment l'ammoniac (), l'urée (issue de et ) et l'acide urique, qui sont des déchets métaboliques ().

2.4 Molécules Inorganiques Contenant du Carbone (Exclusions)

Certaines molécules contiennent du carbone mais sont considérées comme inorganiques car elles ne possèdent pas de squelette carboné complexe caractéristique des molécules organiques. Ce sont :

• Dioxyde de carbone () : Principal déchet du métabolisme ().
• Bicarbonate () : Importante réserve alcaline du sang, jouant un rôle crucial dans la régulation du pH ().
• Monoxyde de carbone (CO) : Un gaz toxique ().

2.5 Macroéléments

Les macroéléments sont des éléments minéraux nécessaires en quantités importantes pour l'organisme (, ) :

• Phosphates () :
  • Rôle majeur dans le stockage de l'énergie (ATP, GTP) ().
  • Maintien du pH sanguin (rôle "tampon") ().
  • Phosphorylation des protéines (régulation de leur activité) ().
  • Composant des membranes cellulaires (phospholipides) et de l'os (avec le calcium) ().
• Sodium (), Potassium () et Chlore () :
  • Répartition : Le sodium est le principal cation extracellulaire, tandis que le potassium est le principal cation intracellulaire. Le chlore est le principal anion extracellulaire ().
  • Sodium () : Reflète l'état d'hydratation intracellulaire (pression osmotique), impliqué dans l'influx nerveux et la contraction musculaire, régulé par l'absorption d'eau (soif, reins) ().
    • Hypernatrémie : Augmentation de la soif et de l'absorption rénale.
    • Hyponatrémie : Diminution de la soif et de l'absorption rénale. Une hyponatrémie peut être causée par une perte sodée importante ou une rétention excessive d'eau, menant à une hyperhydratation intracellulaire ().
  • Potassium () : Essentiel pour la contraction des muscles squelettiques et cardiaque. Sa concentration (kaliémie) est régulée par l'élimination rénale via l'aldostérone ().
    • Hyperkaliémie : Peut être due à une insuffisance rénale ou une acidose métabolique, entraînant bradycardie, diminution de la force de contraction et risque d'arrêt cardiaque ().
    • Hypokaliémie : Causée par des pertes digestives ou urinaires excessives, pouvant provoquer des arythmies et une diminution de la force de contraction cardiaque ().
  • Chlore () : Sa concentration (chlorémie) suit la natrémie. Apports par le sel alimentaire, élimination par les reins et la sudation ().
• Calcium (), Magnésium () et Soufre :
  • Calcium () : Constituant majeur de l'os (avec le phosphore), essentiel à la coagulation sanguine, la contraction musculaire et la transmission nerveuse ().
    • Hypercalcémie : Liée à l'hyperparathyroïdie ou aux métastases osseuses, elle réduit l'activité nerveuse, affaiblit les muscles, peut causer des calculs rénaux et des troubles cardiaques ().
    • Hypocalcémie : Due à l'hypoparathyroïdie ou un déficit en vitamine D, elle entraîne une excitabilité neuronale excessive et des crises de tétanie ().
  • Magnésium () : Impliqué dans la contraction musculaire, la digestion et agit comme cofacteur d'enzymes ().
  • Soufre (S) : Constituant des acides aminés soufrés (Méthionine, Cystéine), de certaines vitamines et du tissu conjonctif ().

2.6 Oligo-éléments

Les oligo-éléments sont des éléments minéraux nécessaires en très faibles quantités, mais indispensables. Ils peuvent être toxiques en excès (, ) :

• Fer (Fe) : Essentiel pour le transport de l'oxygène (hémoglobine) ().
• Fluor (F) : Contribue à la solidité des dents ().
• Iode (I) : Composant des hormones thyroïdiennes ().
• Zinc (Zn), Cuivre (Cu), Manganèse (Mn), Sélénium (Se) : Souvent cofacteurs d'enzymes, jouant un rôle catalytique ().
• Brome (Br) : Effet sur le système nerveux ().
• Cobalt (Co) : Intégré à la vitamine B12 ().
• Autres : Vanadium, Molybdène, Mercure... ().

3. Les Molécules Organiques du Vivant

Les molécules organiques sont caractérisées par un squelette d'atomes de carbone (), souvent liés à l'hydrogène (), à l'oxygène () et à l'azote (). Elles sont les constituants fondamentaux de la vie ().

3.1 Les Glucides (Saccharides)

Les glucides, également appelés oses ou hydrates de carbone, sont des molécules essentielles à la vie, principalement composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (, ).

• Importance énergétique : Ils représentent 40 à 50% de l'énergie apportée par l'alimentation (). Ils sont stockés sous forme de glycogène dans le foie et les muscles, servant de réserve énergétique rapide ().
• Hydrosolubilité : La présence de nombreuses fonctions alcool () les rend très hydrosolubles ().
• Classification :
  • Monosaccharides (oses) : Les sucres simples, unités de base des glucides. Classés selon le nombre de carbones (ex: triose à 3C, hexose à 6C) et la nature du groupe carbonyle (aldéhyde = aldose ; cétone = cétose) (). Exemples :
    • Glucose (aldohexose) : sucre principal utilisé comme énergie.
    • Galactose (aldohexose) : composant du lactose.
    • Fructose (cétohexose) : sucre des fruits ().
  • Oligosaccharides (oligoholosides) : Contiennent de 2 à 10 unités de monosaccharides (). Exemples :
    • Disaccharides (diholosides) : formés de deux monosaccharides.
      • Saccharose (sucre de cuisine) : glucose + fructose.
      • Lactose (sucre de lait) : galactose + glucose.
      • Maltose (sucre de malt) : glucose + glucose ().
  • Polysaccharides (polyholosides) : Sucres complexes formés de plus de 10 unités de monosaccharides (). Exemples :
    • Glycogène (chez les animaux, notamment foie et muscles) : stockage du glucose pour l'énergie ().
    • Amidon (chez les plantes) : stockage du glucose pour l'énergie ().
    • Cellulose (chez les plantes) : constituant des parois cellulaires et fibre alimentaire non digestible chez l'homme ().
    • Chitine (exosquelettes d'insectes, parois fongiques) : rôle structural ().

3.2 Les Protéines

Les protéines sont des macromolécules extrêmement sophistiquées, essentielles à presque toutes les fonctions biologiques (). Elles sont composées de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et souvent de soufre ().

• Unités de base : Acides Aminés (AA) : Il existe 20 acides aminés différents qui composent les protéines (, ).
  • Structure : Chaque acide aminé possède un groupe amine () et un groupe carboxyle () portés par le même carbone (), un atome d'hydrogène, et un radical R (chaîne latérale) variable (). C'est le radical R qui confère à chaque acide aminé ses propriétés spécifiques (polaire, apolaire, chargé, etc.) ().
  • Liaison peptidique : Les acides aminés sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques, formant des chaînes polypeptidiques ().
  • Peptides : Assemblages d’acides aminés.
    • Monopeptide (ex: glycine)
    • Dipeptide (ex: aspartame)
    • Nonapeptide (ex: vasopressine, ocytocine)
    • Hormones peptidiques (ex: insuline, glucagon) ().
  • Acides aminés essentiels : Le corps humain ne peut pas les synthétiser et doit les obtenir par l'alimentation. Exemples : Tryptophane, Méthionine, Valine, Thréonine, Phénylalanine, Leucine, Isoleucine, Lysine ().
  • Dérivés d'acides aminés : Certains AA peuvent être transformés en molécules biologiquement actives (ex: Tyrosine en dopamine/noradrénaline/adrénaline ; Tryptophane en sérotonine ; Histidine en histamine) ().
• Structure des protéines : Les protéines adoptent des structures tridimensionnelles complexes qui déterminent leur fonction ().
  • Structure primaire : Séquence linéaire des acides aminés, du N-terminal au C-terminal ().
  • Structure secondaire : Réploiements locaux de la chaîne polypeptidique en motifs spécifiques, comme les hélices ou les feuillets ().
  • Structure tertiaire : Repliement tridimensionnel global de la chaîne polypeptidique, donnant la forme fonctionnelle de la protéine ().
  • Structure quaternaire : Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle (ex: hémoglobine) ().
• Types de protéines :
  • Holoprotéines : Composées uniquement d'acides aminés ().
  • Hétéroprotéines : Composées d'acides aminés et d'une partie non protéique. Exemples :
    • Hémoglobine (AA + hème) : transport de l'oxygène ().
    • Glycoprotéines (AA + glucides) : rôles de reconnaissance cellulaire ().
    • Lipoprotéines (AA + lipides) : transport des lipides dans le sang (ex: LDL) ().
• Fonctions des protéines () :
  • Enzymes (biocatalyseurs) : Accélèrent les réactions chimiques sans être consommées. Elles sont très spécifiques à leurs substrats (). .
  • Protéines structurales : Fournissent un support (ex: kératine, collagène).
  • Hormones : Coordination de réponses (ex: insuline, glucagon).
  • Protéines motrices : Mouvements cellulaires (ex: actine, myosine).
  • Protéines de défense : Protection (ex: anticorps).
  • Récepteurs : Réception de signaux.
• Anomalies protéiques et maladies : Les mutations génétiques peuvent altérer la fonction des protéines, entraînant des maladies métaboliques.
  • Ex: Phénylcétonurie (PKU) : mutation de l'enzyme PAH (Phénylalanine hydroxylase) entraîne l'accumulation de phénylalanine, toxique pour le cerveau ().
  • Ex: Maladie de Wilson : mutation de l'enzyme ATP7B empêche l'élimination du cuivre, entraînant son accumulation dans divers organes ().
• Bilan biologique : L'analyse des protéines sanguines (ionogramme, bilan protéique, bilan enzymatique) est essentielle pour le diagnostic de nombreuses pathologies (, ).

3.3 Les Lipides

Les lipides sont un groupe hétérogène de molécules caractérisées par leur insolubilité dans l'eau (hydrophobes) et leur solubilité dans les solvants organiques apolaires (). Ils représentent environ 20% du poids du corps ().

• Fonctions () :
  • Réserve d'énergie : Stockés sous forme de triglycérides dans les tissus adipeux ().
  • Constituants des membranes cellulaires : Essentiellement les phospholipides ().
  • Précurseurs de certaines hormones (stéroïdes) ().
  • Transport de vitamines liposolubles dans le sang ().
  • Isolation thermique et protection des organes.
• Classification des lipides :
  • Lipides simples :
    • Acides gras : Molécules composées d'une chaîne hydrocarbonée (R) et d'un groupe carboxyle ().
      • Acides gras saturés : possèdent uniquement des liaisons simples (). Ex: acide palmitique.
      • Acides gras insaturés : contiennent une ou plusieurs doubles liaisons ().
    • Glycérides : Esters d'acides gras et de glycérol. Les triglycérides (glycérol + 3 acides gras) sont les principales formes de stockage d'énergie ().
    • Cholestérol () : Un stéroïde essentiel à la structure des membranes et précurseur d'hormones stéroïdiennes et de vitamine D ().
  • Lipides complexes :
    • Phospholipides : Composés d'un glycérol, d'un groupe phosphate et de deux acides gras. Ils sont amphiphiles (tête hydrophile, queue hydrophobe), formant la bicouche lipidique des membranes cellulaires (, ).
• Transport des lipides : Étant insolubles dans l'eau, les lipides sont transportés dans le sang grâce à des lipoprotéines (complexes de lipides et de protéines) ().
• Bilan Lipidique : La mesure de la cholestérolémie (cholestérol total, LDL, HDL) et de la triglycéridémie est cruciale pour évaluer le risque athérogène et thrombogène ().
  • Hypercholestérolémie / Hypertriglycéridémie : Risque accru de maladies cardiovasculaires.
  • Hypocholestérolémie : Peut indiquer une insuffisance hépatique.

3.4 Les Acides Nucléiques

Les acides nucléiques, l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique), sont les molécules fondamentales de l'information génétique, jouant un rôle central dans le stockage, la transmission et l'expression du patrimoine génétique (, ).

• Unités de base : Nucléotides : Chaque nucléotide est composé de trois éléments () :
  • Un groupe phosphate.
  • Un sucre à 5 carbones (pentose) : désoxyribose pour l'ADN, ribose pour l'ARN.
  • Une base azotée :
    • Purines : Adénine (A), Guanine (G).
    • Pyrimidines : Cytosine (C), Thymine (T) pour l'ADN ; Uracile (U) pour l'ARN (, ).
• ADN :
  • Structure : Forme une double hélice (bicaténaire) composée de deux brins complémentaires (). Les bases sont appariées de manière spécifique : A avec T, C avec G ().
  • Localisation : Principalement situé dans le noyau des cellules, subdivisé en 23 paires de chromosomes ().
  • Fonction : Stockage de l'information génétique, sous forme de gènes, qui déterminent la séquence des protéines (, ).
• ARN :
  • Structure : Généralement simple brin (monocaténaire), plus petit que l'ADN, il contient de l'uracile (U) à la place de la thymine (T) ().
  • Types : Il existe plusieurs types d'ARN, chacun avec des fonctions spécifiques (, ) :
    • ARNm (ARN messager) : Transfère l'information génétique de l'ADN aux ribosomes pour la synthèse des protéines.
    • ARNt (ARN de transfert) : Apporte les acides aminés aux ribosomes pendant la traduction.
    • ARNr (ARN ribosomal) : Constituant des ribosomes, sites de la synthèse protéique.
  • Localisation : Produit dans le noyau, puis exporté vers le cytoplasme ().
  • Fonction : Joue divers rôles dans l'expression génique, dont le transfert de l'information génétique de l'ADN vers les ribosomes pour la synthèse des protéines ().
  • Durée de vie : Généralement courte ().
• ATP (Adénosine Triphosphate) : Nucléotide particulier, considéré comme la "monnaie d'échange énergétique" de la cellule ().
  • Synthèse : L'ATP est formé à partir d'ADP (Adénosine Diphosphate) et de phosphate inorganique (), utilisant l'énergie libérée par la dégradation des nutriments (catabolisme) ().
  • Utilisation : L'hydrolyse de l'ATP en ADP et libère de l'énergie utilisée pour diverses activités cellulaires, telles que la contraction musculaire, l'activité nerveuse, les synthèses (anabolisme : ex: formation d'une protéine), et les transports (ions, nutriments) ().
  • Le corps humain consomme son poids en ATP chaque jour ().

3.5 Les Vitamines

Les vitamines sont des micronutriments organiques, non synthétisables par l'organisme (ou en quantités insuffisantes), et donc indispensables à obtenir par l'alimentation (, ).

• Importance : Nécessité d'une alimentation équilibrée.
  • Carences : Peuvent entraîner des hypovitaminoses (carence partielle) ou des avitaminoses (carence totale) ().
  • Excès : Certaines vitamines liposolubles peuvent entraîner des hypervitaminoses (ex: vitamines A et D), qui peuvent être toxiques ().
• Classification :
  • Vitamines hydrosolubles :
    • Vitamines du groupe B (, , , , , , , ) : Rôles essentiels dans le métabolisme (cofacteurs enzymatiques), l'immunité, le système nerveux et la croissance ().
    • Vitamine C (acide L-ascorbique) : Rôles multiples, dont la synthèse du collagène, la synthèse de neurotransmetteurs, un puissant antioxydant et l'assimilation du fer. Une carence sévère provoque le scorbut ().
  • Vitamines liposolubles : Elles sont stockées dans les graisses de l'organisme.
    • Vitamine A : Rôles dans la vision, la régulation de l'expression des gènes (développement, croissance, renouvellement de la peau et des muqueuses intestinales, système immunitaire) et comme antioxydant. Une carence peut entraîner des problèmes de vision (cécité nocturne) ; un excès est tératogène pour la femme enceinte ().
    • Vitamine D : Essentielle pour l'absorption du calcium au niveau intestinal et la régulation de la calcémie, contribuant ainsi à la calcification des os et à la tonicité musculaire. Les carences entraînent le rachitisme chez l'enfant et l'ostéomalacie chez l'adulte ().
    • Vitamine E : Principal antioxydant des membranes biologiques, protège les cellules contre les dommages oxydatifs. Les carences sont rares mais peuvent causer des myopathies ou des troubles rétiniens ().
    • Vitamine K : Indispensable à la coagulation sanguine et à la calcification des os. Une carence provoque des hémorragies ().

4. Les Nutriments et l'Homéostasie

4.1 Les Nutriments

Les nutriments sont l'ensemble des composés organiques et inorganiques nécessaires à l'organisme pour entretenir la vie. Ils peuvent être classés par leur fonction ou leur structure chimique () :

• Énergétiques : Lipides, protéines, glucides.
• Métaboliques : Vitamines, acides aminés essentiels, éléments minéraux (cofacteurs enzymatiques, régulateurs).
• Mécaniques : Fibres alimentaires (facilitent le transit intestinal).
• Sensoriels : Arômes (contribuent au goût et à l'appétit).

La manière dont les nutriments sont utilisés par le corps varie () :

• Directement absorbés et utilisés (eau, certaines vitamines, ions minéraux).
• Digérés avant d'être absorbés (glucides, lipides, protéines complexes).
• Non digérés mais utiles au transit (fibres).

4.2 L'Homéostasie

L'homéostasie est le processus physiologique qui permet de maintenir les constantes du milieu intérieur de l'organisme dans des limites stables et étroites, nécessaires à son bon fonctionnement et à son équilibre (). Cela inclut la régulation de la température corporelle, de la pression artérielle, de la respiration, et de la composition du sang ().

L'homéostasie est principalement régulée par le système nerveux végétatif (autonome) et le système endocrinien (hormones) (). L'équilibre hydroélectrolytique, par exemple, est un aspect crucial de l'homéostasie, garantissant que les concentrations d'ions comme , , restent dans des plages physiologiques.

5. La Cellule et les Tissus

Les molécules du vivant s'organisent pour former des structures de complexité croissante. Les cellules sont les unités structurales et fonctionnelles de base de tous les organismes vivants (). Elles sont composées d'organites spécialisés, qui sont eux-mêmes constitués de ces molécules ().

Plusieurs cellules similaires s'associent pour former des tissus (), qui à leur tour constituent les organes et les systèmes d'organes. Cette organisation hiérarchique montre comment la complexité de la vie émerge de l'interaction ordonnée des molécules.

Tableau Récapitulatif des Biomolécules Clés

Les Molécules du Vivant : Cheatsheet Essentiel

Ce cours, dispensé par Angélique Levoye (angelique.levoye@inserm.fr), explore les fondements moléculaires de la vie, en se concentrant sur les molécules du vivant, la cellule, et les tissus.

I. Classification des Molécules du Corps Humain

Le corps humain est une composition complexe de substances.

A. Substances Minérales (Inorganiques)

Ces molécules ne sont pas basées sur un squelette de carbone.

• L'Eau ():

  • Principal constituant de la matière vivante (70% de la masse totale).

  • Structure: , molécule polaire avec répartition des charges.

  • Solvant: Dissout des solutés pour former des solutions (ex: eau salée, eau sucrée, plasma sanguin).

    • Non universel (ex: eau/huile - les lipides sont hydrophobes).

  • Répartition hétérogène: Dépend de l'âge, du sexe et de la masse adipeuse.

  • Rôle dans l'équilibre hydroélectrolytique: Maintient les équilibres des compartiments intra- et extracellulaires.

  • Participaion aux réactions chimiques: Hydrolyse, Condensation.

  • Thermorégulation: Par sudation/évaporation.

• Le Dioxygène ():

  • 21% de l'air.

  • Transporté par l'hémoglobine (rôle du Fer) vers les cellules.

  • Indispensable pour la respiration cellulaire et la production d'énergie.

  • Termes clés:

    • Hypoxie: Insuffisance d'O₂ aux cellules.

    • Hypoxémie: Diminution d'O₂ dans le sang.

    • Ischémie: Diminution très importante d'O₂ aux tissus (ex: infarctus).

• L'Azote et ses dérivés ():

  • 78% de l'air.

  • Source d'azote de l'organisme: protéines.

  • Impliqué dans les bases azotées (ADN, ARN), les acides aminés, certains lipides complexes.

  • Exemples de dérivés: Monoxyde d'azote (NO) (neuromédiateur), Ammoniac (NH₃), Urée, Acide urique.

• Molécules inorganiques contenant du carbone:

  • (dioxyde de carbone): Déchet principal du métabolisme.

  • (bicarbonate): Réserve alcaline du sang.

  • CO (monoxyde de carbone): Gaz toxique.

• Macroéléments: (Présents en plus grande quantité)

  • Phosphates ():

    • Stockage d'énergie (ATP, GTP).

    • Maintien du pH sanguin (~7,4).

    • Phosphorylation des protéines.

    • Formation des membranes (phospholipides).

    • Composition de l'os (avec le calcium).

  • Sodium (), Potassium (), Chlore ():

    • Répartition:

      • : Principal cation extracellulaire. Natrémie reflète l'hydratation. Impliqué dans influx nerveux, contraction musculaire.

      • : Principal cation intracellulaire. Kaliémie régulée par élimination rénale (aldostérone). Rôle dans contraction musculaire (squelettique et cardiaque).

      • : Principal anion extracellulaire. Chlorémie suit natrémie.

    • Ionogramme sanguin: Mesure les substances ionisées.

      • Anomalies (hyper/hyponatrémie, hyper/hypokaliémie, hyper/hypocalcémie) sont liées à des pathologies graves.

  • Calcium (), Magnésium (), Soufre:

    • : Constitution de l'os, coagulation, contraction musculaire, signal nerveux.

    • : Contraction musculaire, digestion, cofacteur d'enzymes.

    • Soufre: Constitution des acides aminés soufrés, vitamines, tissu conjonctif.

• Oligoéléments: (Indispensables à faible dose, toxiques en excès)

  • Ex: Fer (O₂ transport), Fluor (dents), Iode (hormones thyroïdiennes), Zinc, Cuivre, Sélénium...

B. Molécules Organiques

Basées sur un squelette d'atomes de carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O) et azote (N).

• Glucides:

  • Importance énergétique: 40-50% de l'apport énergétique.

  • Stockés sous forme de glycogène (foie, muscles).

  • Très hydrosolubles.

  • Classification:

    • Monosaccharides (oses, sucres simples): Glucose, Galactose, Fructose.

    • Oligosaccharides (ex: disaccharides): Saccharose (glucose+fructose), Lactose (galactose+glucose), Maltose (glucose+glucose).

    • Polysaccharides (polyholosides, sucres complexes): Glycogène, Cellulose, Amidon.

• Protéines:

  • C, H, O, N + parfois S.

  • Seule source d'azote pour l'organisme.

  • Macromolécules faites d'acides aminés (AA) liés par des liaisons peptidiques.

  • 20 AA différents (ex: Glycine, Alanine, Cystéine, Acide Aspartique, Arginine).

  • Acides aminés essentiels: Ne peuvent pas être fabriqués par l'organisme (ex: Tryptophane, Méthionine, Lysine).

  • Pendant les fonctions:

    • Précurseurs de neuromédiateurs ou hormones (Histidine Histamine).

    • Hormones peptidiques (Insuline, Glucagon).

  • Structure des protéines:

    • Primaire: Séquence d'AA.

    • Secondaire: Motifs 3D (hélices , feuillets ).

    • Tertiaire: Repliement tridimensionnel global.

    • Quaternaire: Association de plusieurs molécules (chaînes).

  • Types:

    • Holoprotéines: Uniquement des AA.

    • Hétéroprotéines: AA + autre groupement (ex: Hémoglobine (AA+hème), Glycoprotéines (AA+glucides), Lipoprotéines (AA+lipides)).

  • Rôles principaux:

    • Enzymes: Biocatalyseurs, spécifiques, leur mutation peut causer des maladies métaboliques (ex: Phénylcétonurie, Maladie de Wilson).

    • Protéines structurales (ex: collagène).

    • Hormones.

    • Transport (hémoglobine, lipoprotéines).

    • Défense (anticorps).

  • Bilan sanguin: Protéines totales, Albumine, Globulines (alpha, bêta, gamma).

  • Bilan enzymatique: Transaminases (ASAT, ALAT) (foie, cœur), Créatine kinase, LDH, Troponine (cœur), Phosphatase alcaline, GT, Bilirubine (foie).

• Lipides:

  • ~20% du poids corporel.

  • Insolubles dans l'eau, solubles dans solvants organiques.

  • Transportés dans le sang par lipoprotéines.

  • Fonctions:

    • Réserve d'énergie (triglycérides).

    • Constituants des membranes cellulaires (phospholipides).

    • Précurseurs d'hormones stéroïdes.

    • Transport de vitamines.

  • Types:

    • Acides gras: Saturés (liaisons simples) ou Insaturés (doubles liaisons).

    • Glycérides: Esters d'acides gras et de glycérol (ex: triglycérides).

    • Phospholipides: Composants majeurs des membranes.

    • Cholestérol (): Constituant membranaire, précurseur hormonal.

  • Bilan lipidique: Cholestérol total, LDL, HDL, Triglycérides.

• Acides Nucléiques:

  • Bases moléculaires du matériel génétique.

  • Composés de nucléotides (base azotée + sucre + phosphate).

  • Bases azotées: Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T) [uniquement ADN], Uracile (U) [uniquement ARN].

    • Nucléosides: Adénosine, Guanosine, Cytidine, Thymidine, Uridine.

  • ADN (Acide Désoxyribonucléique):

    • Stockage de l'information génétique.

    • Principalement dans le noyau, en 23 paires de chromosomes.

    • Double brin (bicaténaire).

    • Séquence des bases (A, T, C, G) détermine la séquence des protéines (gènes).

  • ARN (Acide Ribonucléique):

    • Plus petit que l'ADN.

    • Produit dans le noyau, exporté vers le cytoplasme.

    • Durée de vie courte.

    • Différents types: ARNm, ARNt, ARNr (transfert de l'information génétique).

  • ATP (Adénosine Triphosphate):

    • Molécule énergétique universelle.

    • Formée à partir d' + Énergie (catabolisme des nutriments).

    • Utilisée pour: contraction musculaire, activité nerveuse, synthèses, transports.

• Vitamines:

  • Nécessitent une alimentation équilibrée.

  • Carences: hypovitaminoses/avitaminoses. Excès: hypervitaminoses (surtout A et D).

  • Hydrosolubles:

    • Vitamine B (B1, B2, ..., B12): Métabolisme, immunité, SN, croissance.

    • Vitamine C (acide L-ascorbique): Synthèse collagène, neurotransmetteurs, antioxydant, assimilation Fer. Carence: Scorbut.

  • Liposolubles:

    • Vitamine A: Vision, expression des gènes, immunité. Carence: problèmes de vision. Excès: malformations congénitales.

    • Vitamine D: Absorption calcium, calcification os, tonicité musculaire. Carence: rachitisme, ostéomalacie.

    • Vitamine E: Antioxydant membranaire.

    • Vitamine K: Coagulation sanguine, calcification os. Carence: hémorragies.

II. Homéostasie

Processus physiologique maintenant les constantes du milieu intérieur de l'organisme (température, pression artérielle, composition du sang) pour son bon fonctionnement. Régulée par le système nerveux végétatif et les hormones.

III. L'Atome et les Liaisons Moléculaires

• Atome: Constituant élémentaire de la matière, le plus petit fragment d'un élément chimique.

• Noyau (protons+, neutrons) + Électrons-.

• Molécules: Combinaisons stables d'atomes par partage d'électrons.

• Types de liaisons:

  • Covalente: Stable, forte, partage d'électrons (symbolisée par un trait).

  • Ionique: Faible, facilement dissociable, attraction électrique entre ions (charges + et -).

• Ion: Entité chargée formée par gain/perte d'électrons (Cation+ ou Anion-).

IV. Cellules et Biomolécules

Les cellules sont composées d'organites, eux-mêmes constitués de molécules:

Les Molécules du Vivant : Une Exploration Approfondie

Les molécules du vivant sont les constituants fondamentaux de la matière biologique, essentielles au fonctionnement, à la structure et à l'organisation de tous les organismes vivants. Elles se divisent en deux grandes catégories : les molécules inorganiques (ou minérales) et les molécules organiques. Ce cours, présenté par Angélique Levoye (angelique.levoye@inserm.fr), vise à comprendre en profondeur ces éléments indispensables.

1. Introduction aux Constituants du Vivant et l'Homéostasie

Le corps humain, comme toute forme de vie, est une entité complexe constituée de divers éléments chimiques et molécules.

1.1. Les Molécules du Vivant : Une Classification Essentielle

Le corps humain est principalement constitué de :

• Substances minérales :

  • (eau)

  • Gaz respiratoires : (dioxygène) et (dioxyde de carbone)

  • Macro-éléments : , , , etc. (présents en grandes quantités)

  • Oligo-éléments : , , , etc. (nécessaires en très faibles quantités)

• Molécules organiques :

  • Glucides

  • Lipides

  • Protides (protéines)

  • Acides nucléiques

  • Vitamines

1.2. Les Nutriments : Carburant et Bâtisseurs

Les nutriments sont l'ensemble des composés organiques et inorganiques nécessaires à l'organisme pour entretenir la vie. Ils sont classés selon leur fonction ou leur structure chimique :

• Énergétiques : fournissent l'énergie nécessaire aux fonctions vitales (lipides, protéines, glucides).

• Métaboliques : impliqués dans les réactions chimiques (vitamines, acides aminés essentiels, éléments minéraux).

• Mécaniques : contribuent à des fonctions structurelles ou de transit (fibres alimentaires).

• Sensorielles : apportent des saveurs (arômes).

Ces nutriments ont des destins variés une fois ingérés :

• Directement absorbés et utilisés par les cellules (eau, certaines protéines, certains glucides).

• Digérés avant d'être absorbés (glucides complexes, lipides, protéines complètes).

• Non digérés mais utiles pour la progression des aliments dans le tube digestif (fibres).

1.3. L'Homéostasie : L'Équilibre Vital

L'homéostasie est le processus physiologique permettant de maintenir les constantes du milieu intérieur de l'organisme, nécessaires à son bon fonctionnement et à son équilibre.
Exemples : Régulation de la température corporelle, de la pression artérielle, de la respiration, de la composition du sang.
Ce mécanisme est régulé principalement par le système nerveux végétatif et les glandes endocrines (via les hormones).

2. Les Atomes et les Molécules : Blocs de Construction

2.1. L'Atome : L'Unité Fondamentale

L'atome est le constituant élémentaire de la matière, le plus petit fragment permettant de différencier un élément chimique d'un autre.

• Il est composé d'un noyau chargé positivement (contenant des nucléons : protons et neutrons).

• Autour de ce noyau gravitent des électrons chargés négativement.

Chaque élément chimique est défini par son nombre atomique (nombre de protons). Par exemple, l'hydrogène () a 1 proton et 1 électron, tandis que l'oxygène () a 8 protons, 8 électrons et 8 neutrons.

2.2. Les Liaisons Chimiques : Former des Molécules

En partageant ou en transférant des électrons, les atomes se lient pour créer des combinaisons stables appelées molécules. Deux types principaux de liaisons :

1. La liaison covalente :

   • Formation : Les atomes partagent une paire (ou plus) d'électrons.

   • Stabilité : Très stable, solide, et difficile à rompre.

   • Représentation : Symbolisée par un trait entre deux atomes (ex: , , ).

2. La liaison ionique :

   • Formation : Un atome transfère un ou plusieurs électrons à un autre atome, créant des ions chargés (cation positif et anion négatif).

   • Stabilité : Faible, facilement dissociable en solution.

   • Représentation : Attraction électrique entre ions de charge opposée, symbolisée par des charges et (ex: ).

2.3. Éléments, Composés et Ions

• Un élément est une substance formée d'une seule sorte d'atomes (ex: , , ).

• Un composé est une molécule constituée d'atomes différents (ex: , , ).

• Un ion est une entité chargée qui se forme lorsque l'atome perd (cation ) ou gagne (anion ) un ou plusieurs électrons.

3. Les Molécules Inorganiques (Minérales)

Ces substances ne sont pas constituées de matière organique et sont cruciales pour la vie.

3.1. L'Eau () : Le Solvant Universel du Vivant

L'eau est le principal constituant de la matière vivante, représentant environ 70% de la masse totale de l'organisme.

3.1.1. Structure et Propriétés de l'Eau

La molécule d'eau () est une molécule polaire. Les atomes d'hydrogène et d'oxygène ne se partagent pas équitablement les électrons, créant une répartition asymétrique des charges. L'oxygène, plus électronégatif, attire davantage les électrons, ce qui lui confère une charge partielle négative (), tandis que les hydrogènes portent une charge partielle positive (). Cette polarité permet à l'eau d'agir comme un excellent solvant.

3.1.2. L'Eau en tant que Solvant

Un solvant est une substance qui dissout ou extrait d'autres substances (solutés) sans les modifier ni se modifier elle-même. La combinaison d'un solvant et d'un ou plusieurs solutés forme une solution.
Exemples de solutions aqueuses :

• Eau salée : (solvant) sel de cuisine (, soluté). L'eau, grâce à sa polarité, attire les ions et , les séparant et les entourant.

• Eau sucrée : saccharose.

• Eau minérale : électrolytes (ions).
  

  Calcium		96,00 mg/l
  Magnésium		6,10 mg/l
  Sodium		10,60 mg/l
  Potassium		3,70 mg/l
  Bicarbonate		297 mg/l
  Sulfate		9,30 mg/l
  Nitrate		< 2 mg/l
  Chlorure		22,60 mg/l

• Liquides internes : Plasma sanguin, liquide intracellulaire, liquide interstitiel.

Attention : l'eau n'est pas un solvant universel ! Les molécules apolaires comme les lipides (ex: acides gras constitués de et ) sont dites hydrophobes et ne sont pas miscibles avec l'eau, formant des émulsions (comme l'eau et l'huile).

3.1.3. Répartition et Rôle de l'Eau dans l'Organisme

La répartition de l'eau est hétérogène et dépend de l'âge, du sexe et de la masse adipeuse.

L'eau joue un rôle crucial dans le maintien de l'équilibre hydroélectrolytique entre les différents compartiments liquidiens de l'organisme (milieu intracellulaire, plasma, milieu interstitiel - formant le milieu extracellulaire). Cet équilibre est essentiel au bon fonctionnement cellulaire.
Les principaux électrolytes (ions) impliqués sont :

• Cations : , , ,

• Anions : , , ,

• Autres : Protéines, glucose.

L'équilibre hydroélectrolytique est vérifié par un ionogramme sanguin, car des déséquilibres ioniques (ex: , , ) sont liés à des pathologies.
L'eau participe également à des réactions chimiques fondamentales :

• Hydrolyse : Dégradation de molécules complexes par addition d'eau (ex: digestion des glucides).

• Condensation : Formation de molécules complexes avec élimination d'eau (ex: synthèse de protéines).

Enfin, l'eau permet la thermorégulation de l'organisme (sudation et évaporation).

3.2. Le Dioxygène ()

Le dioxygène représente 21% de l'air. Il est vital pour les organismes aérobies :

• Il rejoint la circulation sanguine au niveau des alvéoles pulmonaires lors de la respiration.

• Il est transporté aux cellules principalement par l'hémoglobine des hématies (avec un rôle crucial du fer).

• Il est indispensable aux cellules pour la respiration cellulaire et la production d'énergie (ATP).

Terminologie liée au dioxygène :

• Hypoxie : Insuffisance des apports d'oxygène au niveau des cellules.

• Hypoxémie : Diminution de la quantité d'oxygène dans le sang.

• Ischémie : Diminution très importante de l'apport en aux tissus (ex: infarctus).

3.3. L'Azote () et ses Dérivés

L'azote constitue 78% de l'air ( gazeux). Sous d'autres formes, il est essentiel :

• Monoxyde d'azote (NO) : Un neurotransmetteur important.

• Produits de dégradation azotés : Ammoniac (), urée ( et ), acide urique.

La seule source d'azote de l'organisme provient des protéines. L'azote se lie au carbone pour former des molécules organiques telles que les bases azotées (de l'ADN et de l'ARN), les acides aminés (constituants des protéines), et certains lipides complexes.

3.4. Les Molécules Inorganiques Contenant du Carbone

Bien que le carbone soit la base des molécules organiques, certaines molécules carbonées sont considérées comme inorganiques :

• (dioxyde de carbone) : Principal déchet du métabolisme.

• (bicarbonate) : Réserve alcaline du sang, jouant un rôle crucial dans le maintien du pH.

• (monoxyde de carbone) : Gaz toxique, se liant plus fortement à l'hémoglobine que l'oxygène.

3.5. Les Macroéléments

Les macroéléments sont des minéraux nécessaires en grandes quantités (plusieurs dizaines à centaines de milligrammes par jour).

• Phosphates () :

  • Stockage de l'énergie (ATP, GTP).

  • Maintien du pH sanguin (~ , rôle "tampon").

  • Phosphorylation des protéines (régulation de leur activité).

  • Formation des membranes (phospholipides).

  • Composition de l'os (avec le calcium).

• Sodium (), Potassium () et Chlore () : Des électrolytes cruciaux.

  Concentration [mmol.l⁻¹]	ions	K⁺	Na⁺	Cl⁻
  Milieu intracellulaire		140	14	14
  Milieu extracellulaire		5	140	147

  • Sodium () :

    • Principal cation extracellulaire.

    • La natrémie (concentration de sodium dans le sang) reflète l'état d'hydratation intracellulaire (pression osmotique).

    • Impliqué dans l'influx nerveux et la contraction musculaire.

    • Régulation par l'apport d'eau (soif, absorption rénale).

      • Hypernatrémie (excès) : Augmentation de la soif et de l'absorption rénale.

      • Hyponatrémie (déficit, plus fréquente) : Causée par une perte importante ou une rétention excessive d'eau, menant à une hyperhydratation intracellulaire.

  • Potassium () :

    • Principal cation intracellulaire.

    • La kaliémie est régulée par l'élimination rénale (sous l'influence de l'aldostérone).

    • Rôle essentiel dans la contraction des muscles striés squelettiques et cardiaques.

      • Hyperkaliémie (excès) : Due à une insuffisance rénale, un hypo-aldostéronisme (maladie d'Addison) ou une acidose métabolique. Peut provoquer bradycardie, diminution de la force de contraction et risque d'arrêt cardiaque.

      • Hypokaliémie (déficit) : Due à une perte digestive ou urinaire excessive, ou certains syndromes (Conn, Cushing). Entraîne des arythmies et une diminution de la force de contraction cardiaque.

  • Chlore () :

    • Principal anion extracellulaire.

    • La chlorémie suit généralement la natrémie.

    • Apport par le sel alimentaire, élimination par le rein et la sudation.

• Calcium (), Magnésium () et Soufre () :

  • Calcium () :

    • Constitution de l'os (avec le phosphore).

    • Coagulation sanguine.

    • Contraction musculaire.

    • Transmission du signal nerveux.

    • Hypercalcémie (excès) : peut provoquer réduction de l'activité nerveuse, faiblesse musculaire, calculs rénaux, troubles du rythme cardiaque.

    • Hypocalcémie (déficit) : peut entraîner une excitabilité neuronale excessive et des crises de tétanie.

  • Magnésium () :

    • Contraction musculaire.

    • Digestion.

    • Cofacteur d'enzymes.

  • Soufre () :

    • Constitution des acides aminés soufrés (méthionine, cystéine).

    • Présent dans certaines vitamines.

    • Composant du tissu conjonctif.

3.6. Les Oligoéléments

Les oligoéléments sont des minéraux nécessaires en très faibles doses mais indispensables. Ils peuvent être toxiques en excès.

• Fer (Fe) : Transport de l'oxygène (via l'hémoglobine).

• Fluor (F) : Solidité des dents.

• Iode (I) : Synthèse des hormones thyroïdiennes.

• Zinc (Zn) : Cofacteur d'enzymes.

• Cuivre (Cu) : Cofacteur d'enzymes.

• Sélénium (Se) : Cofacteur d'enzymes, antioxydant.

• Manganèse (Mn) : Cofacteur d'enzymes.

• Cobalt (Co) : Intégré à la vitamine .

• Autres moins connus ou en cours d'étude : Brome, Vanadium, Molybdène.

4. Les Molécules Organiques

Ces molécules sont caractérisées par la présence d'un squelette carboné et sont le pilier de la vie. Les principaux éléments qui les composent sont le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O) et l'azote (N).

4.1. Les Glucides

Les glucides (ou sucres) sont des molécules organiques dont le rôle principal est énergétique.

• Ils représentent 40 à 50% de l'énergie apportée par l'alimentation.

• Ils sont stockés sous forme de glycogène dans le foie et les muscles (réserve énergétique).

• Ils sont très hydrosolubles grâce aux nombreuses fonctions alcool () qu'ils contiennent.

Ils sont classifiés selon leur complexité :

1. Sucres simples (Oses ou Monosaccharides) :

   • Unités monomères des glucides.

   • Classés selon le nombre de carbones (3C = triose, 4C = tétrose, 5C = pentose, 6C = hexose) et la nature du groupement carbonyle (aldéhyde = aldose, cétone = cétose).

   • Exemples :

     • Glucose (aldohexose) : sucre principal du sang, source d'énergie universelle.

     • Galactose (aldohexose) : composant du lactose.

     • Fructose (cétohexose) : sucre des fruits.

2. Oligosaccharides :

   • Composés de 2 à 10 unités de monosaccharides liés.

   • Diholosides (Disaccharides) : Les plus courants sont formés de deux monosaccharides.

     • Saccharose (sucre de cuisine) : glucose fructose.

     • Lactose (sucre de lait) : galactose glucose.

     • Maltose (sucre de malt) : glucose glucose.

3. Sucres complexes (Polyholosides ou Polysaccharides) :

   • Composés de plus de 10 unités de monosaccharides.

   • Exemples :

     • Glycogène (animaux) : Forme de stockage du glucose dans le foie et les muscles.

     • Amidon (plantes) : Forme de stockage du glucose chez les plantes.

     • Cellulose (plantes) : Composant majeur des parois cellulaires végétales.

     • Chitine (insectes, champignons) : Composant de l'exosquelette des insectes et des parois fongiques.

4.2. Les Protéines

Les protéines sont des macromolécules extrêmement sophistiquées et variées, essentielles à presque toutes les fonctions biologiques.

• Elles contiennent et souvent du soufre (S). Elles sont la seule source d'azote pour l'organisme.

• Fabriquées à partir de l'information génétique (gènes dans l'ADN).

• L'organisme humain contient entre 80 000 et 400 000 protéines différentes.

4.2.1. Les Acides Aminés : Blocs de Construction des Protéines

Les unités de base des protéines sont les acides aminés (AA), reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Il existe 20 acides aminés différents entrant dans la composition des protéines.
Propriétés communes des acides aminés :

• Un carbone central (carbone ) lié à :

  • Un groupement amine ()

  • Un groupement carboxyle ()

  • Un atome d'hydrogène ()

  • Un radical variable () qui confère à chaque acide aminé ses propriétés spécifiques.

Exemples :

• Glycine (Gly) : Le plus simple, avec .

• Cystéine (Cys) : Contient du soufre.

• Acide aspartique (Asp) : Possède un groupement acide dans son radical.

• Arginine (Arg) : Possède un groupement basique dans son radical.

Acides aminés essentiels : Notre organisme ne peut pas les fabriquer et ils doivent être apportés par l'alimentation.

• Tryptophane, Méthionine, Valine, Thréonine, Phénylalanine, Leucine, Isoleucine, Lysine.

• Les carences peuvent être induites par une alimentation déséquilibrée (ex: haricots déficients en tryptophane et méthionine ; maïs déficient en isoleucine et lysine).

4.2.2. Les Peptides et leurs Fonctions

Un peptide est un assemblage d'acides aminés.

• Monopeptide : Un seul acide aminé (ex: glycine).

• Dipeptide : Deux acides aminés (ex: aspartame).

• Oligopeptide : Quelques acides aminés (ex: nonapeptides comme la vasopressine, ocytocine).

• Polypeptide : De nombreux acides aminés assemblés. Une protéine est un polypeptide de grande taille ayant une structure tridimensionnelle spécifique.

Des acides aminés peuvent être des précurseurs de molécules importantes :

• Histidine Histamine (impliquée dans les phénomènes allergiques et l'acidité de l'estomac).

• Tyrosine DOPA Dopamine Noradrénaline Adrénaline (neuromédiateurs et hormones médullosurrénales).

• Tryptophane Sérotonine (rôle dans l'humeur, le sommeil, l'appétit).

• Cystéine Taurine (rôle antioxydant).

Hormones peptidiques :

• Insuline : Hormone de 51 AA, sécrétée par le pancréas en cas d'hyperglycémie (effet hypoglycémiant).

• Glucagon : Hormone de 29 AA, sécrétée par le pancréas en cas d'hypoglycémie (effet hyperglycémiant).

4.2.3. Niveaux de Structure des Protéines

La fonction d'une protéine est étroitement liée à sa structure tridimensionnelle.

1. Structure primaire :

   • La séquence linéaire spécifique des acides aminés (du -terminal au -terminal).

   • Déterminée par l'information génétique (ADN).

2. Structure secondaire :

   • Formation de motifs locaux réguliers grâce à des liaisons hydrogène entre les atomes du squelette peptidique.

   • Exemples : Hélice et feuillet .

3. Structure tertiaire :

   • Le repliement tridimensionnel global d'une chaîne polypeptidique.

   • Résulte d'interactions entre les radicaux des acides aminés (liaisons hydrogène, ponts disulfure, interactions hydrophobes, forces de van der Waals, liaisons ioniques).

   • Détermine la forme fonctionnelle (globulaire, fibreuse comme la kératine).

4. Structure quaternaire :

   • L'association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle (ex: hémoglobine composée de quatre sous-unités).

4.2.4. Types et Fonctions des Protéines

• Holoprotéines : Composées uniquement d'acides aminés.

• Hétéroprotéines : Composées d'acides aminés et d'une partie non protéique.

  • Hémoprotéines (AA hème) : Hémoglobine, Cytochrome.

  • Glycoprotéines (AA glucides) : Glycoprotéine P.

  • Lipoprotéines (AA lipides) : LDL (Low-Density Lipoprotein).

Les enzymes : Biocatalyseurs
Les enzymes sont des protéines dotées d'une activité catalytique, c'est-à-dire qu'elles accélèrent les réactions chimiques sans être consommées.

• Elles sont très spécifiques de leur substrat (la molécule sur laquelle elles agissent).

• Le mécanisme d'action est souvent décrit par l'équation : (Enzyme Substrat Complexe Enzyme-Substrat Enzyme Produit).

• Une mutation d'un gène codant une enzyme peut entraîner une maladie métabolique.

  • Phénylcétonurie : Mutation de l'enzyme PAH (Phénylalanine hydroxylase) qui transforme la phénylalanine en tyrosine. L'excès de phénylalanine est toxique pour le cerveau.

  • Maladie de Wilson : Mutation de l'enzyme ATP7B impliquée dans l'élimination du cuivre, entraînant son accumulation toxique.

4.2.5. Bilans Protéiques et Enzymatiques

Des analyses sanguines permettent d'évaluer les protéines et l'activité enzymatique.
Bilan Protéique :

Bilan Cardiaque (Enzymes) :

Bilan Hépatique (Enzymes) :

4.3. Les Lipides

Les lipides représentent environ 20% du poids corporel. Ils sont caractérisés par leur insolubilité dans l'eau (hydrophobes) et leur solubilité dans les solvants organiques apolaires (toluène, chloroforme). Dans le sang, ils sont transportés grâce à des lipoprotéines.
Rôles principaux :

• Réserve d'énergie : Stockés sous forme de triglycérides dans les tissus adipeux.

• Constituants des membranes cellulaires (phospholipides).

• Précurseurs de certaines hormones (stéroïdes).

• Transport de vitamines liposolubles dans le sang.

4.3.1. Les Acides Gras

Les acides gras sont des chaînes carbonées avec un groupement carboxyle () à une extrémité. Leur formule générale est .

• Acides gras saturés : Ne possèdent que des liaisons simples entre les atomes de carbone (ex: acide palmitique 16:0).

• Acides gras insaturés : Possèdent une ou plusieurs doubles liaisons entre les atomes de carbone.

4.3.2. Les Lipides Simples

• Les glycérides (triglycérides) : Esters d'acides gras et de glycérol (une molécule de glycérol liée à trois acides gras). Ce sont les principales formes de stockage d'énergie.

• Le cholestérol () : Un stéroïde essentiel, constituant des membranes cellulaires et précurseur d'hormones stéroïdiennes et de la vitamine D.
  Pathologies liées au cholestérol et triglycérides :

  Paramètre	Normes	Anomalies
  Cholestérolémie	Total : () LDL (mauvais) () HDL (bon) ()	Hypercholestérolémie : diabète, insuffisance thyroïdienne, origine génétique. Risque athérogène (formation de plaques dans les artères). Hypocholestérolémie : insuffisance hépatique.
  Triglycéridémie	()	Hypertriglycéridémie : origine génétique, diabète mal équilibré, pancréatite. Risque athérogène et thrombogène.

4.3.3. Les Lipides Complexes

• Les phospholipides : Composés d'une molécule de glycérol, de deux acides gras et d'un groupement phosphate. Ils sont amphiphiles (une tête hydrophile et une queue hydrophobe), ce qui leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires.

4.4. Les Acides Nucléiques

Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont les bases moléculaires du matériel génétique, stockant, transmettant et exprimant l'information héréditaire. Ils sont des polymères de nucléotides. Chaque nucléotide est composé de :

• Une base azotée (Adénine A, Guanine G, Cytosine C, Thymine T, Uracile U).

• Un sucre à 5 carbones (pentose) : désoxyribose pour l'ADN, ribose pour l'ARN.

• Un groupement phosphate.

4.4.1. L'Acide Désoxyribonucléique (ADN)

• Structure : double brin (bicaténaire) en double hélice.

• Sucre : désoxyribose.

• Bases azotées : Adénine (A), Thymine (T), Cytosine (C), Guanine (G).

• Appariement des bases : A s'apparie avec T, C avec G.

• Localisation principale : Principalement situé dans le noyau cellulaire, subdivisé en 23 paires de chromosomes.

• Fonction : Contient l'information génétique (le patrimoine génétique) propre à chaque individu. La séquence en bases des gènes (segments d'ADN) détermine la séquence de chaque protéine.

  • Exemple de gènes : gènes codant la pigmentation de la peau et des yeux, gènes codant des enzymes (ex: lactase, fructokinase), gènes codant des protéines (groupes sanguins, collagène).

4.4.2. L'Acide Ribonucléique (ARN)

• Structure : Généralement simple brin (monocaténaire).

• Sucre : ribose.

• Bases azotées : Adénine (A), Uracile (U), Cytosine (C), Guanine (G). (L'Uracile remplace la Thymine de l'ADN).

• Localisation et durée de vie : Produit dans le noyau, exporté vers le cytoplasme. A une durée de vie plus courte que l'ADN.

• Fonctions variées :

  • ARNm (ARN messager) : Transfère l'information génétique de l'ADN aux ribosomes pour la synthèse des protéines.

  • ARNt (ARN de transfert) : Apporte les acides aminés spécifiques aux ribosomes pendant la traduction.

  • ARNr (ARN ribosomal) : Constituant des ribosomes, où la synthèse protéique a lieu.

4.4.3. L'Adénosine Triphosphate (ATP) : La Molécule Énergétique

L'ATP est la principale monnaie énergétique de la cellule. Elle est hydrolysée en ADP (adénosine diphosphate) et Pi (phosphate inorganique), libérant de l'énergie.

L'énergie de l'ATP est utilisée pour toutes les activités cellulaires :

• Contraction musculaire.

• Activité nerveuse.

• Synthèses (anabolisme) de nouvelles molécules.

• Transports (ions, nutriments, organites).

L'ATP est resynthétisé à partir d'ADP et Pi grâce à l'énergie libérée par la dégradation des nutriments (catabolisme), principalement dans les mitochondries.

Chaque jour, nous consommons l'équivalent de notre poids en ATP.

4.5. Les Vitamines

Les vitamines sont des micronutriments organiques essentiels, nécessaires en petites quantités pour diverses fonctions métaboliques. Une alimentation équilibrée est cruciale pour éviter les carences (hypovitaminoses ou avitaminoses) ou les excès (hypervitaminoses, notamment pour les vitamines A et D).

4.5.1. Vitamines Hydrosolubles

• Vitamines B (B1, B2, B3, B5, B6, B8, B9, B12) :

  • Rôles : Métabolisme énergétique, immunité, système nerveux, croissance.

• Vitamine C (acide L-ascorbique) :

  • Rôles : Synthèse du collagène, synthèse de neurotransmetteurs, antioxydant, assimilation du fer.

  • Carence : Scorbut (saignement des gencives, déchaussement des dents, douleurs articulaires).

4.5.2. Vitamines Liposolubles

Elles sont stockées dans les graisses et peuvent être toxiques en cas d'excès.

• Vitamine A :

  • Rôles : Vision, régulation de l'expression des gènes (développement, croissance, renouvellement de la peau et des muqueuses), système immunitaire, antioxydant.

  • Carence : Problèmes de vision (cécité nocturne).

  • Excès : Malformations congénitales chez la femme enceinte.

• Vitamine D :

  • Rôles : Absorption du calcium dans l'intestin, régulation de la calcémie, calcification des os, tonicité musculaire.

  • Carence : Rachitisme infantile, ostéomalacie chez l'adulte, troubles musculaires.

• Vitamine E :

  • Rôles : Puissant antioxydant dans les membranes biologiques (protège les lipides de l'oxydation), conservateur alimentaire.

  • Carence (rare) : Myopathies, troubles de la rétine, troubles du système immunitaire.

• Vitamine K :

  • Rôles : Coagulation sanguine, calcification des os.

  • Carence : Hémorragies.

5. La Cellule et les Tissus : Organisation de la Vie

Les molécules du vivant s'assemblent pour former des organites, qui à leur tour constituent les cellules. Les cellules s'organisent ensuite en tissus, puis en organes et systèmes, aboutissant à la complexité des organismes vivants.

5.1. Synthèse des Composants Cellulaires