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5/10/2018 cours+biologie+-+chap1+-+th orie+cellulaire - slidepdf.com

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CHAPITRE 1

La cellule

1. Conception ancienne et moderne de la vie

2. La théorie cellulaire

3. Taille des cellules

4. Chimie organique

5. Les molécules du vivant

6. Les glucides (ou sucres ou hydrates de carbone)6.1 Monosaccharides : glucose, fructose et galactose6.2 Disaccharides : sucrose, lactose et maltose6.3 Polysaccharides : amidon, glycogène et cellulose6.4 Digestion des glucides

7. Les protéines7.1 Structure chimique7.2 Rôle dans la cellule7.3 Les enzymes7.4 Protéines et alimentation7.5 Protéines et maladies héréditaires

8. Les lipides

9. Les vitamines et les minéraux9.1 Les vitamines9.2 Les minéraux

10. Les niveaux d’organisation de la matière

11. Le liquide interstitiel

12. La membrane cellulaire

12.1 Structure chimique12.2 Rôle de la membrane



Chapitre 2

13. Le transport membranaire

13.1 Transport passif • Diffusion simple• Diffusion facilitée

• Osmose13.2 Transport actif 13.3 Transport en vrac

14. Reticulum endoplasmique et appareil de Golgi

15 La mitochondrie et métabolisme énergétique

15.1 Structure15.2 Production d’énergie par respiration15.3 Le transport de l'énergie dans la cellule

16. Le noyau

17. Les chloroplastes et la photosynthèse

« Il y a plus de choses dans le ciel et sur terre, Horatio, que ta philosophie n’en pourrait concevoir »

Shakespeare, Hamlet

2-2



Les molécules de la vie

Objectifs

À la fin de ce module vous serez en mesure de :

1. Discuter de la conception moderne matérialiste de la vie par rapport aux conceptionsanciennes vitalistes.

2. Expliquer la théorie cellulaire.

3. Expliquer en quoi la théorie cellulaire a bouleversé la notion du vivant à l’époque oùelle a été émise.

4. Énoncez, en µm et mm, la taille des cellules humaines.

5. Expliquer pourquoi la vie ne pourrait probablement pas exister sans le carbone.

6. Énoncer les principales différences entre cellules procaryotes et cellules eucaryotes.

7. Énoncer les principaux monosaccharides, disaccharides et polysaccharides présentsdans nos aliments.

8. Énoncer la formule chimique du glucose.

9. Décrire la structure moléculaire des principaux glucides présents dans nos aliments(donner des exemples d’aliments contenant ces sucres).

10. Expliquer ce qu’on entend par sucres à assimilation rapide et sucres à assimilationlente.

11. Expliquer comment le glycogène contribue à la régulation du taux de glucose san-guin.

12. Expliquer comment les glucides sont modifiés par le système digestif.

13. Expliquer le phénomène d’intolérance au lactose qu’on rencontre chez certainespersonnes.

14. Décrire la structure moléculaire des protéines.

15. Expliquer l’importance des protéines dans le fonctionnement de l’organisme (rôle desprotéines et exemples).

16. Expliquer l’importance des enzymes dans le fonctionnement de la cellule.

17. Expliquer ce qu’est la dénaturation d’une enzyme.

18. Expliquer le rôle du système digestif dans l’assimilation des acides aminés.

19. Expliquer ce qu’est la complémentarité des protéines.

2-3



Chapitre 2

20. Énoncer les conséquences d’une alimentation carencée en protéines et d’une ali-mentation trop riche en protéines.

21. Expliquer ce que sont les maladies héréditaires.

22. Énoncer les deux grands types de lipides et en donner des exemples.

23. Expliquer ce qu’est une vitamine.

24. Énoncer quelles sont les vitamines liposolubles et les vitamines hydrosolubles. Expli-quer l’importance de cette distinction en alimentation.

25. Expliquer ce qu’on entend, en biologie, par niveaux d’organisation de la matière.

26. Expliquer ce qu’est le liquide interstitiel et comment il se forme.

27. Énoncer les principales différences entre la cellule végétale et la cellule animale.

28. Décrire la structure moléculaire de la membrane cellulaire.

29. Expliquer la cause moléculaire du phénomène de rejet lors d’une greffe.

30. Expliquer la diffusion, la diffusion facilitée et l’osmose. En donner des exemples.

31. Définir les termes : milieu hypertonique, hypotonique et isotonique.32. Énoncer les principales caractéristiques du transport actif.

33. Décrire le processus de l’endocytose, de la phagocytose et de l’exocytose.

34. Décrire la structure et énoncer le rôle du reticulum endoplasmique et de l’appareil deGolgi.

35. Décrire la structure de la mitochondrie et en expliquer la fonction dans la cellule.

36. Expliquer comment l'ATP sert de transporteur d'énergie dans la cellule.

37. Expliquer ce qu’est la respiration cellulaire et en énoncer l’équation globale.

38. Énoncer les valeurs énergétiques respectives des glucides, protides et lipides.

39. Décrire la structure du noyau.40. Décrire la structure des chloroplastes.

41. Expliquer les échanges énergétiques impliqués dans la photosynthèse.

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1 CONCEPTION ANCIENNE ET CONCEPTIONMODERNE

"Tout ce qui est généralement communaux végétaux et aux animaux commetoutes les facultés qui sont propres àchacun de ces êtres sans exception, doit constituer l'unique et vaste objet d'unescience particulière qui n'est pas encorefondée, qui n'a même pas de nom, et àlaquelle je donnerai le nom de biologie."

Jean-Baptiste Monet chevalier de Lamarck (1744-1829)

Lamarck (1744-1829)

La biologie, la science étudiant le phénomène du vivant, est unescience relativement jeune. Ce n'est, en effet, qu'au début de ce siè-

cle que l'on a commencé à avoir une petite idée de ce qu'est un êtrevivant. Et encore, il faudra attendre les années 50 pour que cettescience fasse de véritables progrès. Pourtant, on se posait des ques-tions sur le phénomène du vivant depuis les débuts de l'humanité.Mais sans les outils indispensables apportés par la physique (quel'on pense au microscope) et surtout par la chimie (techniques d'ana-lyse et d'identification des composés chimiques) la biologie ne pou-vait progresser qu'en anatomie et en sciences naturelles. Pour lereste, on s'en remettait à des opinions philosophiques datant d'aussiloin qu'Aristote.



Chapitre 1

Selon Aristote (~384 - ~322), la vie résulte de la rencontre entre un principe passif, la matière, inerte et informe et un principe actif,l'âme qui imprime à la matière son organisation complexe, sonmouvement, son énergie, sa vitalité.

Dans les siècles qui suivront, cette conception de la vie connaîtra plusieurs variantes que l'on peut regrouper sous le nom de théorie

vitaliste (ou vitalisme). La théorie vitaliste se caractérise par lacroyance en une entité immatérielle (ou spirituelle), une force vi-

tale qui animerait les êtres vivants. Aristote

Les découvertes scientifiques qui se succéderont à partir du milieudu XIXe siècle conduiront à l’abandon complet de cette théorie. Il

est maintenant clairement établi que les différents phénomènes as-sociés à la vie obéissent aux mêmes lois et forces qui régissent lereste de l'univers. Il n'est nullement nécessaire de faire appel à unemystérieuse énergie vitale pour expliquer la vie, on peut très bienl’expliquer en faisant uniquement appel aux lois de la chimie et la physique.

La conception moderne de la biologie est totalement matérialiste, elle ne fait appel à aucune force ou énergie immatérielle. Pour la biologie moderne, un être vivant est un assemblage très complexede molécules interagissant entre elles selon les lois de la physique

et de la chimie qui s'appliquent à toute matière. On peut aujourd’hui expliquer le phénomène du vivant sans faire appel à au-cune force mystérieuse. Vous ne verrez jamais, dans aucun manuelde biologie, une explication faisant appel à l’énergie vitale ou à unquelconque fluide vital .

Pourtant, encore aujourd'hui, dnombreuses personnes ont unconception vitaliste de la vie. Cetidée est particulièrement répandu

dans le milieu des médecines doces. L'âme d'Aristote, devenue fluidvital, énergie vitale, chi, manorgone, prana ou kundalini selon religion thérapeutique qu’on adopserait l'agent responsable de la vide la santé et de la maladie. Lsanté s'expliquerait par une circulation harmonieuse de l'énergie vitaalors que la maladie serait due une mauvaise circulation ou à unperte de cette énergie. Pourtacette notion d’énergie vitale est uconcept totalement dépourvu dtoute base scientifique. La confiancen des pratiques médicales baséesur cette théorie abandonnée depulongtemps par la science tient plude l'acte de foi que de la raison.

I-6



La cellule

2 LA THÉORIE CELLULAIRE

Une des premières découvertes importantes en biologie passa à peu près inaperçue à l'époque où on la fit.

En 1665, Robert Hooke, utilisant un nouvel instrument d'optique, lemicroscope, eut l'idée d'observer une fine coupe d'un bouchon deliège (le liège est l'écorce d'un chêne européen).

Hooke nomma cellules ces petites structures vides formant le liège.Plus tard, en observant d’autres échantillons, animaux ou végétaux,on constata que la matière vivante est toujours ainsi divisée en cel-lules juxtaposées. Ce que Hooke avait cru être un cas particulier pour le liège s’avéra être la norme pour tous les tissus vivants. Quelque soit le tissu, animal ou végétal, on observe toujours qu'il estformé par la réunion de nombreuses cellules.

De plus, contrairement au liège, un tissu mort dont les cellules sontvides, les cellules des tissus frais montraient une organisation in-

terne complexe. Chaque cellule possède des organites (petits or-ganes) dont les plus petits sont assez difficiles à discerner au mi-croscope optique. La plupart de ces organites sont présents danstoutes les cellules, peu importe d'où vient la cellule, d'un humain,d'un moustique ou d'un érable. Bref, même si elles proviennentd'organismes très différents les uns des autres, les cellules se res-semblent beaucoup.

I-7



Chapitre 1

Cellulesadipeuses

Coupe de tissu adipeux Tissu musculaire

Coupe de la racine d’une plante aquatique

Épithélium tapissant la bou-che, le nez et l’œsophage

Coupe d’une feuille d’arbre

Neurones (cellules nerveuses)

I-8



La cellule

On se rendit également compte que les cellules pouvaient se repro-duire. Dans les conditions appropriées, une cellule, même isolée dutissu d'où elle provient, peut se nourrir, respirer, s'entretenir, se re-

produire. Chaque cellule est un être vivant à part entière. Vers 1839, le monde scientifique admit ce qu'on allait appeler lathéorie cellulaire :

La cellule est l'unité structurale etfonctionnelle de tous les êtres vi-

vants.

C'est-à-dire :

• Tous les êtres vivants sont constitués d'uneou plusieurs cellules.

On peut cultiver des cellules enmilieu artificiel. Même séparée del’organisme, une cellule peutcontinuer à vivre et à se repro-duire si on lui fournit tous leséléments dont elle a besoin (eau,nourriture, oxygène, etc.).Chaque cellule de notre corps estun être vivant à part entière.

• La cellule est la plus petite unité possédantles caractéristiques du vivant.

• Toute cellule provient de la division d’une au-tre cellule.

« Omnis cellula e cellula » (Rudolph Virchow, 1858)

Chaque cellule est un être vivant complet; une cellule peut :

• Absorber et transformer de la nourriture• Respirer • Rejeter des déchets• Sécréter des substances qu’elle fabrique• Se reproduire• Se réparer si elle est endommagée

Chaque cellule est vivante. Par contre, si on coupe une cel-

lule en morceaux, on n'obtiendra qu'un mélange bientôtinerte de composés chimiques, rien de vivant.

Certains êtres vivants ne sont faits que d'une seule cellule alors qued'autres en contiennent des milliers de milliards.

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Chapitre 1

Mitochondrie

Réticulumendoplasmique

Appareilde Golgi

Noyau

Nucléole

Membrane cellulaire

Vacuole

G i l l e s

B o u

r b o n n a i s

La cellule (très simplifiée)

I-10



La cellule

La théorie cellulaire, à l’époque où on l’énonça, révolutionna l’idéequ’on avait toujours eue de la vie jusque là. En admettant cettethéorie, les biologistes devaient admettre trois concepts tout à faitnouveaux pour l’époque:

1. Unité du vivant: les êtres vivants se ressemblentbeaucoup plus qu’on ne le croyait; l’homme n’est passi différent des animaux et même des plantes.

2. Homéostasie: la survie et la santé de l’individu cor-respondent à son aptitude à assurer un milieu de viefavorable à ses cellules.

3. Il n’y a pas vraiment de limite définie entre la vie etla mort.

1. Unité du vivant:

Non seulement tous les êtres vivants sont formés de cellules,mais en plus, d’un être vivant à un autre, les cellules sont trèssemblables. Il y a peu de différences, par exemple, entre les neu-

rones (ce sont les cellules formant le système nerveux) d’unmoustique et ceux d’un humain. De même, on ne peut discerner,au microscope, les cellules du foie d’un humain, de celles d’unchat ou même d’un poisson. Même si elles peuvent avoir des

formes et des tailles différentes, les cellules possèdent toutes lamême structure de base, elles sont formées des mêmes organites (les organites, ce sont les petites structures que l'on peut observer à l'intérieur des cellules): membrane, noyau, vacuoles, riboso-mes, reticulum endoplasmique, etc.

On peut voir le monde vivant comme un gigantesque jeu deLego. À partir de quelques types de briques élémentaires, lesdifférents types de cellules, on peut construire une variété in-finie de formes vivantes.

De plus, on a découvert, par la suite, que le mode de fonction-nement des cellules, l’ensemble des réactions chimiques s’y dé-roulant, était sensiblement le même, peu importe le type de cel-lule. Il n’y a pas tant de différences entre une cellule de tomate etune cellule humaine. Un très grand nombre de réactions chimi-

I-11



Chapitre 1

ques se déroulant dans l’une se déroulent aussi dans l’autre.C’est ainsi, que fréquemment, une découverte faite à partir del’étude des cellules d’un organisme particulier, fut-il aussi simplequ’une cellule de levure, peut s’appliquer à tous les autres êtres

vivants.

Les levures sont des champignonsunicellulaires utilisés pour fermentele sucre en alcool.

2. Homéostasie:

Il suffit d’avoir déjà tenté de cultiver des cellules en milieu arti-ficiel pour se rendre compte combien leur survie est fragile. Un peu trop de ceci ou pas assez de cela dans le milieu de culture et

les cellules meurent soudainement.

Caractéristiques physico-chimiquec’est-à-dire l’ensemble des caractristiques physiques (température,viscosité, etc.) et chimiques (pH,salinité, concentration en oxygèneen déchets, etc.) du milieu.

Une cellule ne peut survivre que si elle baigne dans un li-quide présentant des caractéristiques physico-chimiques quirépondent exactement à ses besoins.

Il en est de même à l’intérieur de l’organisme. Les cellules doi-vent baigner dans un milieu stable qui leur apporte tout ce dontelles ont besoin. On pourrait définir la physiologie humainecomme l’étude des mécanismes permettant d’assurer aux cel-lules un milieu de vie stable.

La teneur en sucre du liquide bai-gnant les cellules, par exemple, dodemeurer rigoureusement stable,Trop ou pas assez de sucre pourrperturber le fonctionnement descellules et même les tuer. Commenous le verrons plus loin dans cecours, il existe des mécanismesphysiologiques permettant de maitenir stable cette teneur en sucre.Que l’on jeûne depuis plusieurs jours ou que l’on vienne de mangeun plein pot de miel, le taux desucre demeurera sensiblement lemême.

On appelle « homéostasie » cette stabili-té du milieu interne que parviennent à

maintenir les êtres vivants.

Remarquez que l’homéostasie correspond à un équilibre dyna-

mique. Par leur activité, les cellules modifient continuellementleur milieu en y puisant des éléments et en y rejetant des déchets.Ce milieu change également selon la nourriture absorbée et lemilieu dans lequel on se trouve (désert torride ou froide journéed’hiver, par exemple). Les différents systèmes doivent donccontinuellement réagir afin de rétablir l’équilibre sans cesse per-turbé. Le maintien de l’homéostasie est un continuel combatqui ne doit jamais cesser.

I-12



La cellule

Avec la théorie cellulaire, la notion de maladie prit une toutenouvelle signification. Désormais, on considérera la maladiecomme un défaut de l’homéostasie. Et c’est le bon fonctionne-

ment de chacune des cellules de l’organisme qui permet de main-tenir cette homéostasie essentielle à la survie de chacune d’entreelles.

3. Il n’y a pas de limite définie entre la vie et la mort :

Un être humain est en fait une colonie de plusieurs milliers demilliards de cellules.Il est difficile d’estimer le nombre

de cellules formant un organismehumain. Selon les plus récentes

estimations, l’organisme seraitconstitué de 50 000 à 100 000

milliards de cellules.

Mais, puisque chacune de nos cellules est un être vivant à part

entière, à partir de quel moment peut-on affirmer qu’une per-sonne est morte? Doit-on attendre que la dernière cellule soitmorte avant de signer l’acte de décès? Un homme à qui on vientde couper la tête est-il encore vivant? Pourtant, ses cheveux etses ongles continuent à pousser, plusieurs de ses cellules muscu-laires se contractent encore, les cellules de sa peau survivent en-core en respirant le peu d’oxygène présent dans le liquide qui lesentoure, etc.

Bref, il faut bien se rendre à l’évidence, il n’existe pas de fron-tière bien définie entre la vie et la mort. Et c’est là tout le pro- blème éthique que posent des actes comme l’euthanasie ou, pour commencer à l’autre bout de la vie, l’avortement. À partir dequel moment y a-t-il vie et à partir de quel moment il n’y en a plus?

Et le problème est le même au niveau de chacune des cellules. À partir de quel moment peut-on affirmer qu’une cellule est morte?Une cellule privée des éléments nécessaires à sa survie ne meurt pas d’un seul coup comme cela. Son activité se ralentit peu à peu, ses structures se dégradent progressivement jusqu’à cequ’on obtienne un mélange plutôt inerte de composés chimiques.Mais, à quel moment précisément est-elle morte ? Essayer de dé-finir ce moment est aussi vain que d’essayer de définir une fron-tière bien précise entre la jeunesse et la vieillesse par exemple.

I-13



Chapitre 1

Vous verrez que souvent en biologie, on passe de façon très pro-gressive d’un état à un autre, il y a rarement de frontière fixe.

Légalement, il a bien pourtant fallu définir une frontière. À une certaineépoque, c’était l’arrêt cardiaque. Si le coeur ne bat plus c’est qu’on estmort. Ces dernières années, par contre, on a appris à repartir un coeur arrêté. Il a donc fallu trouver un autre critère. Actuellement, la mort estlégalement définie par l’absence d’activité électrique des neurones ducerveau. Cette activité électrique peut être mise en évidence à l’aidede petites électrodes enregistreuses qu’on applique à la surface ducuir chevelu. L’absence d’activité cérébrale résulte en un électroencé-

phalogramme plat (EEG plat).

Notez bien qu’il s’agit là d’une frontière légale. Moralement, le pro-blème se complique. Peut-on encore qualifier de vivante une personneplongée dans un coma profond et irréversible mais dont le cerveauprésenterait encore une faible activité (ces cas existent)? Peut-on arrê-ter la vie biologique lorsque la qualité de vie s’est dégradée au-delàd’un certain niveau? C’est là un problème qui n’est plus du ressort desbiologistes.

« Tant que la biologie n’avait pasacquis la notion de cellule, elle nepouvait prétendre qu’à une figuratioextrêmement grossière des phénomnes vitaux, quels qu’ils soient. Unepièce maîtresse lui faisait défaut, àquoi ne pouvait suppléer aucuneressource de l’imagination ou duraisonnement .»

Jean Rostand, Esquisse d’histoire de la biolo

En fait, la mort même est un phénomène étrange. En effet, lescellules peuvent continuellement se renouveler. Si une structurese dégrade, la cellule peut, à partir des molécules qu’elle puisedans son milieu, en fabriquer une nouvelle.

À cause de ce renouvellement continuel qui se produit dansles cellules, on estime que chaque individu renouvelle la tota-lité de ses molécules à peu près en sept ans. Il n’y aurait doncpas une seule molécule de votre corps qui y était il y a septans.

Si une cellule meurt, une autre cellule peut se reproduire pour laremplacer. À chaque seconde, 50 millions de cellules meurentdans notre organisme. Mais la reproduction cellulaire permet de produire 50 millions d’autres cellules pour les remplacer.

En fait, théoriquement, puisqu’on se renouvelle continuellement,

on ne devrait pas vieillir. Mais, pour des raisons qu’on com-mence à peine à comprendre, les processus permettant aux cellu-les de se renouveler et de se reproduire se dégradent avec letemps. L’organisme perd progressivement son efficacité à se re-nouveler, il se dégrade, vieillit et meurt.

I-14



La cellule

3 Cellules procaryotes et cellules eucaryotes

Le monde des cellules se divise en deux grands groupes:

• Les cellules procaryotes (les bactéries)• Les cellules eucaryotes (toutes les autres cellules)

Les cellules procaryotes sont généralement beaucoup plus petitesque les cellules eucaryotes:

• Taille des bactéries : 1 à 3 µmLe µm (micromètre) est une unitécorrespondant à un millionièmede mètre (ou un millième demillimètre). On utilise aussi le nm(nanomètre) équivalent à unmilliardième de mètre (ou unmillième de µm).

• Taille moyenne des cellules humaines: 20 µm

1 mm = 1/1000 m1 µm = 1/1000 mm

1 nm = 1/1000 µm

Le pouvoir de résolution de l’œil humain, sa capacité à distinguer des détails, est d’environ 100 µm (à peu près la largeur d’un che-veu). On ne pourrait pas, par exemple, distinguer à l’œil nu, deux points situés à moins de 100 µm l’un de l’autre. Ils apparaîtraientcomme un seul point.

• Plus petite cellule humaine:spermatozoïde (environ 2 µmsans la queue)

• Plus grosse cellule humaine:ovule (environ 100 µm)

Les procaryotes sont tous unicellulaires. Ils sont dépourvus de la plupart des structures présentes dans les cellules eucaryotes.

Les cellules d'un moustique sont-elles plus petites que

celles d'une baleine bleue?

I-15



Chapitre 1

Zoom sur une épingle

Grossissement = 50 XÀ cette échelle, votre taille est d’environ 80 m.

Grossissement = 1000 XLes petites taches blanches sont des bactéries.À cette échelle, vous mesureriez 1,7 Km.

Grossissement = 3000 XÀ cette échelle, votre taille est de 5 Km.On distingue bien les bactéries.

Grossissement = 10,000 XÀ cette échelle, votre taille est de 17 Km.Les bactéries que vous voyez mesurent environ1 µm de largeur par 3 µm de longueur.

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La cellule

4 Chimie organique

Le méthane (CH)Le méthane est laplus simple des mo-lécules organiques.

4

Un être vivant comme l'être humain est le résultat de l'assemblagede milliards de cellules. Chacune de ces cellules est elle-même for-mée d'organites cellulaires (les organites, ce sont les petites structu-res que l'on peut observer à l'intérieur des cellules). Ces organitessont formés de grosses molécules organiques formées par l'assemblage de molécules organiques plus petites. Enfin, les moléculessont le résultat de l'union des atomes. On comprend donc aisémentque pour faire de la biologie, il est essentiel de faire de la chimie, dela chimie organique pour être plus précis.

A l'origine, la chimie organique était l'étude des substances consti-tuant les organismes vivants (par opposition à la chimie minéralequi elle étudiait les substances non vivantes).

Cette séparation de la chimie était due à la croyance que les

substances constituant le vivant (substances organiques, des

organes quoi!) étaient de nature différente de celles du non-vivant. Ces substances chimiques formées sous l'influence

du fluide vital ne devaient donc pas obéir aux lois chimiques

s'appliquant au non-vivant. On était ainsi persuadé qu'il était impossible de synthétiser artificiellement une substance

organique à partir de réactions impliquant une ou des subs-

tances inorganiques. Seuls les êtres vivants, grâce au fluide

vital les animant, pouvaient opérer la transformation de lamatière inorganique en matière organique.

Mais en 1828, l'allemand Whöler devait stupéfier le monde

de la chimie en réussissant en laboratoire la synthèse de

l'urée (substance organique présente dans l'urine) à partir

de substances inorganiques (ammoniac, gaz naturel et eau). D'autres expériences devaient par la suite le confirmer, la

chimie du vivant ne diffère en rien de la chimie du non-

vivant, elle obéit aux mêmes lois chimiques.

Comme la majorité des molécules présentes dans les êtres vivantsont une structure de base faite d'atomes de carbone, le terme chimieorganique s'appliquera par la suite à l'étude des composés du car-bone qu'ils proviennent du monde vivant ou non.

Toutes les molécules contenant ducarbone, à l'exception de celles qui necontiennent pas d'hydrogène commele gaz carbonique (CO2) ou les carbo-nates, sont considérées comme desmolécules organiques.

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Chapitre 1

Parmi les 92 éléments chimiques existant sur terre à l'état naturel, lavie, lorsqu'elle s'est formée, n'en a sélectionné que quatre principaux:

• Carbone (C)• Hydrogè (H)• Oxygène (O)• Azote (N)

L'essentiel des molécules formant la matière vivante est formé à partir de ces quatre éléments. On retrouve cependant souvent, enquantités beaucoup plus faibles, d'autres éléments chimiques asso-ciés à ces molécules:

Ca, K, Si, Mg, S, Al, P, Cl, Fe, Mn, Na, I, Cu, etc.

Constituants atomiques des animaux

ÉLÉMENT SYMBOLE POIDS (%) MASSE ATOMIQUEOxygène O 62 16,0Carbone C 20 12,0Hydrogène H 10 1,0Azote N 3,3 14,0Calcium Ca 2,5 40,0

Phosphore P 1,0 31,0Souffre S 0,25 32,0Potassium K 0,25 39,0Chlore Cl 0,2 35,5Sodium Na 0,1 23,0Magnésium Mg 0,07 24,5Iode I 0,01 127,0Fer Fe 0,01 56,0

On retrouve également d'autres éléments en quantité in-fime(l'ensemble de ces éléments appelés oligo-éléments ne formequ'environ 0,3% de la masse totale de l'animal):

Cuivre (Cu), Manganèse (Mn), Molybdène (Mo), Cobalt (Co),Bore (B), Zinc (Zn), Fluor (F), Sélénium (Se), Chrome (Cr)

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La cellule

Chaque atome est caractérisé par (entre autres) sa conformationélectronique (disposition des électrons autour du noyau). Cettedisposition des électrons autour du noyau détermine les proprié-tés chimiques de chaque élément chimique et donc le type et le

nombre de liaisons que peut faire un atome avec un autre.

Dans le cas de C, H, O, N:

• Carbone: tétravalent (4 liaisons possibles)• Hydrogène: monovalent (une seule liaison)• Oxygène: bivalent (deux liaisons)• Azote: trivalent (trois liaisons)

Exemple: le méthane (CH4), la plus simple des molécules or-

ganiques.

OU

Notez les angles entre les liaisons. L'ensemble de la molécules'inscrit dans un tétraèdre dont les sommets correspondent auxatomes d'hydrogène.

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Chapitre 1

Ex. Le méthanol (alcool méthylique)

HOC

H

H

H

ou CH3OH

Ex. L'éthanol (alcool éthylique):

HOC

H

H

H

C

H

H

ou CH3 – CH2 – OH

On pourrait aussi écrire C2H6O, mais ce ne serait pas nécessai-rement du méthanol. En effet, cette formule pourrait correspon-dre à une autre molécule que le méthanol.

OC

H

H

H

C

H

H

H

HOC

H

H

H

C

H

H

CH CH3 3O

CC HH22 66 OO

CH CH3 2 OH

Éther diméthyliqueEthanolAinsi, avec 40 atomes de car-bone et 82 d'hydrogène, on pe

théoriquement former 62.5millions de molécules différenteoù chaque molécule a unestructure et des propriétésphysiques et chimiques différetes de l'autre. Des moléculesorganiques de cette taille sont très courantes.

On appelle isomères deux molécules qui sont différentes, maisformées des mêmes atomes.

Le méthanol et l'éther diméthylique sont donc deux isomères.

I-20



La cellule

Les liaisons chimiques peuvent être simples, doubles ou tri-ples.

Ex.

Éthane Éthylène Acétylène

C CH HC CH

H

H

HCC

H

H

H

H

H

H

Comme nous l'avons vu, le carbone peut former 4 liaisons simples avec les autres atomes. De plus, et c'est là sa propriété la plus remarquable, il peut se lier à lui-même pour former delongs enchaînements linéaires, ramifiés ou cycliques permet-tant ainsi la formation d'une très grande variété de molécules.

C C C C C C• linéaire:

C C C

C

CC

• ramifié:

C

CC

C

CC

OU

• cyclique:

C H6 6

Le benzène

I-21



Chapitre 1

Le carbone peut donc servir de squelette pour former une trèsgrande variété de molécules. Une cellule est une structure trèscomplexe, sa construction et son bon fonctionnement exigentdonc un très grand nombre de molécules aux formes et aux

propriétés chimiques très diverses.

De tous les éléments chimiques existant dansl'univers, seul le carbone peut servir à cons-truire des molécules suffisamment diversi-fiées et suffisamment complexes permettantla formation d'un être vivant, si simple et pri-mitif puisse-t-il être.

Si la vie existe ailleurs dans l'univers, elle est probablement,comme la nôtre, basée sur la chimie du carbone.

Même si les molécules formant la matière vivante peuvent êtretrès grosses (des milliers d'atomes par molécule), n'oubliez pasqu'elles sont incroyablement petites par rapport à notre taille oumême par rapport à la taille pourtant microscopique d'une cel-lule.

Ex. Cette figure représente la structure

d’une molécule de cocaïne. Ellecontient 17 atomes de carbone, 3d’oxygène, un d’azote et 21d’hydrogène. Cette molécule estassemblée, à partir de moléculesplus petites qui sont combinéesentre elles, par les cellules desfeuilles de l’arbre à coca poussanten Amérique du Sud. Sa toxicitépour le système nerveux constitueune protection contre les insectesparasites qui s’attaquent aux feuillesde l’arbre. Les cellules de l’arbrepeuvent fabriquer des milliersd’autres molécules différentes,beaucoup plus complexes que celle-

là, remplissant les diverses fonc-tions chimiques nécessaires à lasurvie de la plante.

I-22



La cellule

On peut regrouper la grande majorité des molécules formant unecellule en quatre grandes familles:

• les glucides (ou sucres ou hydrates de carbone) • les lipides (gras et huiles)• les protéines

Les sucres et les gras sont d'importantes sources d'énergie alorsque les protéines, en plus d’être essentielles comme matériauxde construction, remplissent une foule de fonctions dans la cel-lule (nous en reparlerons).

Même si les molécules formant la matière vivante peuvent être

très grosses (des milliers d'atomes par molécule), n'oubliez pasqu'elles sont incroyablement petites par rapport à notre taille oumême par rapport à la taille pourtant microscopique d'une cel-lule.

Imaginez une cellule dont la taille serait à peu près celle d’unimmeuble de six logements (voir la figure de la page suivante).À cette échelle, vous mesureriez plus de 20 000 Km de hauteur.Une bactérie mesurerait entre 1 et 2 m (à peu près la taille d’unhumain), un virus (c'est un microorganisme minuscule qui para-site les cellules), celle d’une souris et une protéine (c’est une

très grosse molécule pouvant renfermer plus d’un millier d’atomes), celle d’un grain de riz. Un atome de carbone ou unemolécule d’eau seraient difficilement visibles à l’œil nu.

Une pièce de monnaie d'un cent (20 g)contient 200 mille milliards de milliardsd'atomes de cuivre (2 x 1023).

Un petit verre d'eau (180 ml), par exemple, contient 6 millions de mil-liards de milliards de molécules (6,02 x1024 molécules d'H2O).

Un gramme de sucre blanc contientenviron 1 750 milliards de milliards demolécules (1.75 x 1021 molécules).

Dans une cellule aussi petite qu'unebactérie, on retrouve environ 4 000milliards de molécules d'eau (70% dela masse de la bactérie) et près d'unmilliard de molécules de protéines(environ le tiers du poids sec d'unebactérie est constitué de protéines).

I-23



Chapitre 1

Bactérie (2 µm)

Virus (50 à 100 nm)

Protéine (environ 3 nm)

Cellule humaine (20 µm)

I-24



La cellule

5 Les molécules du vivant

Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, les substanceschimiques organiques formant les cellules des êtres vivants peuvent être regroupées en trois grandes catégories : les gluci-des (ou hydrates de carbone), les lipides (ou gras) et les protéi-nes. Si on ne tient pas compte de l’eau, ces trois grandes famil-les constituent ensemble près de 95% de la matière formant lacellule. Le reste de la matière de la cellule est formé de miné-raux dissous dans l’eau (on appelle « électrolytes » ces miné-raux dissous).

Les électrolytes sont des ions miné-raux dissous dans l’eau.

Ex. Na+, Ca++, Cl-, K+, etc

Ces substances ne vous sont d’ailleurs pas étrangères, on les re-trouve sur les étiquettes de la plupart des produits alimentaires.On peut ainsi lire, sur l’étiquette d’une boîte de légumineuses :

FAIBLE EN GRASSOURCE ÉLEVÉE DE FIBRES ALIMENTAIRES

INFORMATION NUTRITIONNELLEPAR PORTION DE 125 ml (1/2 TASSE

ÉGOUTTÉE)

ÉNERGIE 132 Cal/550kJPROTÉINES 8.4gMATIÈRES GRASSES 1.0gGLUCIDES 23g

INGRÉDIENTS: EAU, POIS CHICHES, HARI-COTS ROUGES, HARICOTS ROMAINS, HA-RICOTS À OEIL NOIR, SEL, CHLORURE DECALCIUM

Les substances organiques présentes dans les aliments four-nissent à l’organisme :

• Des matériaux de construction

Plusieurs des structures qui sedégradent peuvent être recyclées etutilisées pour fabriquer de nouvelles

structures. Mais il y a toujours despertes, certaines molécules sedégradent au point qu'elles ne

peuvent être réutilisées. Les résidusde ces molécules sont alors élimi-nés par les organes d'élimination.

Les structures vivantes sont complexes et fragiles, elles se dé-gradent continuellement. Pour se maintenir en vie, un être vi-vant doit continuellement se réparer, remplacer les structuresqui se sont dégradées. C'est pourquoi il doit puiser dans son en-

I-25



Chapitre 1

vironnement les molécules qu'il ne peut fabriquer lui-même.Tout être vivant se fabrique à partir des aliments qu'il ingère.• De l’énergie

Afin de se maintenir en vie, une cellule doit travailler, elle adonc besoin d’une source d’énergie. En physique, on définit l’énergiecomme la capacité à produire dutravail.

Exemples de travail cellulaire :

• Assemblage de grosses molécules à partir de plus petitesafin de réparer certaines structures endommagées;

• Sécrétion de substances chimiques (des hormones, par exemple);

• Absorption, à travers la membrane, de substances essentiel-les présentes dans le milieu extérieur (ce travail nécessite

l’activation de petites pompes spécialisées placées dans lamembrane);• Rejet des déchets à l’extérieur;• Mouvement (certaines cellules, comme les cellules muscu-

laires, peuvent bouger);

Sans énergie, tout s’arrêterait dans la cellule. Celle-ci se dégra-derait de façon irréversible, ce serait la mort.

L’énergie nécessaire à la survie de la cellule est fournie par la

respiration. Comme nous le verrons plus en détail plus loin, larespiration est un ensemble de réactions chimiques au coursdesquelles certaines matières organiques, comme les sucres etles gras, sont « brûlées » et réduites en substances chimiquessimples. Ce processus libère de grandes quantités d’énergie quela cellule peut utiliser.

Notre alimentation est essentiellement composée d’êtres vi-vants, donc de glucides, de lipides et de protéines. À ces trois

grandes familles chimiques, on pourrait aussi ajouter les vita-mines et les minéraux, autres substances chimiques présentesdans les aliments (mais généralement en quantités très faibles)qui nous sont essentielles.

I-26



La cellule

6 Les glucides (ou hydrates de carbones ousucres)

Les chimistes préfèrent utiliser le terme « glucide » ou « hydrate

de carbone » plutôt que celui de « sucre ». En effet, dans le lan-gage courant, on appelle « sucre » tout ce qui goûte sucré. Par contre, en biochimie, un sucre peut ne pas goûter sucré alorsqu’une substance au goût sucré peut ne pas être un sucre. Leterme glucide s’applique à un grand nombre de molécules quiont une structure et des propriétés chimiques semblables (mais pas nécessairement un goût sucré).

Les édulcorants synthétiques,comme le Nutrasuc™, par exemple,goûtent très sucré, mais ce ne sontpas des sucres. Nous verrons plus

loin de quoi il s’agit.

Les glucides se divisent en : monosaccharides disaccharides polysaccharides

6.1 Monosaccharides: glucose, fructose et galactose

Les monosaccharides les plus abondants des êtres vivants ré- pondent à la formule chimique C6H12O6. Les trois principauxsont :

• Glucose• Fructose• Galactose

Chimiquement, il n'y a que très peu de différences entre cestrois sucres. Ils sont tous les trois formés de 6 carbones, 12 hy-drogènes et 6 oxygènes d’où leur formule générale : C6H12O6.Ils ne diffèrent les uns des autres que par de très légères diffé-rences dans la disposition de ces atomes.

Le « sirop de blé d’Inde », par exemple, est un sirop fait d’un

mélange de glucose et de fructose(on l’obtient par des transformations

chimiques de la farine de maïs).

Glucose (C H O )6 12 6

CH OH2

OC

CC

C

OH

OH

OHOH

H

H

H

HHC

Carbone

Oxygène

Hydrogène

I-27



Chapitre 1

C

C O

C

CC

H

CH2

OH

OH

OH

H

H

H

OH

OH

H

C

C O

C

CC

H

CH2OH

OH

H

OH

H

OH

H

OH

HC

O

C

CC

CH2 OH

H

OH

OH

H

OH

OH

CH2OH

Glucose Galactose Fructose

Comme nous le verrons plus loin, ces sucres, particulièrement leglucose, servent surtout de « carburant » fournissant del’énergie aux cellules.

6.2 Disaccharides: saccharose, lactose et maltoseUn disaccharide est une molécule formée par l'union chimi-que de deux monosaccharides. Les principaux disaccharidesretrouvés dans les aliments sont:

Saccharose (ou sucrose) :.....Glucose-Fructose

Lactose : ...............................Glucose-Galactose

Maltose :...............................Glucose-Glucose

I-28



La cellule

Le sucre de canne (ou de betterave à sucre) qu’on achète à l’épicerieest uniquement formé de sucrose. Un petit cube de sucre commeceux qu’on met dans notre café (environ 5 g de sucre) contient envi-ron 10,000 milliards de milliards de molécules de sucrose commecelle illustrée ci-dessus (c’est petit une molécule!!!).

Le sucre brun et le sucre d’érable contiennent, en plus du sucrose, depetites quantités de substances minérales et aromatiques qui étaientprésentes dans la sève de la plante. Si on traitait ces sucres pour enenlever ces substances, on obtiendrait du sucre raffiné, c’est-à-direformé uniquement de sucrose.

Le lactose est un sucre abondant dans le lait. On retrouve du maltosedans les fruits, les légumes et les céréales.

Les différents sucres que nous venons de voir n’ont pas tous lemême goût sucré. Si on accorde une valeur de 100 au goût sucré

du sucrose (le sucre qu’on emploie couramment en cuisine),alors le goût sucré des autres sucres sera:

Sucrose 100

Fructose 114

Glucose 69

Galactose 63

Maltose 46

Lactose 16

Le nutrasuc™ utilisé dans lesproduits « Diet » a un pouvoir

sucrant de 18 000 mais ce n’estpas un sucre.

La saveur sucrée des fruits et légu-mes est surtout due au fait qu'ils

contiennent du glucose, du fructoseet du sucrose.

Le miel, fabriqué par les abeilles à partir d'un liquide sucré récol-té dans les fleurs butinées (le nectar) est un mélange forméd'environ 25% d'eau et de 75% de glucides. On retrouve dansces glucides environ 5% de sucrose, 25 à 35% de glucose et 35 à 45% de fructose. Le miel ne contient pas de lipides ni de pro-téines. On y retrouve des traces de vitamines et de minéraux,mais en quantités négligeables. Si on ne comptait que sur lemiel, il faudrait en manger 10 Kg par jour pour suffire à nos be-soins en vitamine C, 20 Kg pour obtenir tout le calcium dont nous avons besoin, 3 Kg pour satisfaire nos besoins en fer.

I-29



Chapitre 1

6.3 Polysaccharides: amidon, glycogène et cellulose

Les polysaccharides sont tous formés par l'union chimique en-tre eux de centaines de molécules de glucose. La seule diffé-

rence entre un polysaccharide et un autre tient dans le nombrede glucoses formant la molécule et dans la nature des liens chi-miques entre ces glucoses.

Les molécules formant les êtresvivants sont souvent des polymè-res. Un polymère est une grosse

molécule formée par l'union chimique de plusieurs petites moléculeidentiques ou semblables. Lespolysaccharides sont, par exempldes polymères de glucose

Les principaux polysaccharides retrouvés dans les alimentssont l’amidon, le glycogène et la cellulose.

• Amidon

L’amidon est formé de grosses molécules pouvant contenir descentaines de glucoses liés les uns aux autres. On retrouve del’amidon dans pratiquement tous les végétaux. La farine tiréedes céréales est surtout constituée d’amidon.

AmidonMolécule de glucose

Aliments riches en amidon :

• Glycogène:

Le glycogène est un polymère de glucoses semblable à l'ami-don, présent dans les muscles (la viande) et le foie des animaux.On qualifie le glycogène de sucre de réserve des animaux .C’est en effet une façon pratique, pour l’organisme,d’accumuler du glucose sans pour autant transformer le sangen un sirop de blé d’Inde. Suite à un repas riche en sucres, lesang risque de devenir dangereusement trop concentré en gluco-

I-30



La cellule

ses. Les cellules du foie transforment alors ces surplus de glu-cose en molécules de glycogène.

Glucoses libres

glu + glu + glu + glu +.....+ glu→ glu-glu-glu-glu-glu....

Glyco

Une hormone sécrétée par le pancréas est essentielle au bon dé-roulement de cette réaction chimique. La connaissez-vous ?

Inversement, si le taux de glucose sanguin devient trop bas(après un jeûne de quelques heures ou une intense activité phy-sique), le glycogène accumulé dans le foie et les muscles peutse redéfaire en glucoses qui passent dans la circulation san-guine.Amidon (aliments)

Digestion

Glucoses

Glycogène(foie et muscles)

glu-glu-glu-glu-glu....→ glu + glu + glu + glu +.....+ glu

Voyez-vous maintenant pourquoi on conseille aux athlètes demanger du spaghetti (ou n’importe quel autre aliment riche enamidon), la veille d’une activité physique ?

Calvin and Hobbes

Comment la concentration en glucides du sang de Calvin devrait-ellese modifier dans les minutes qui suivront l'absorption de son chocolatchaud?

I-31



Chapitre 1

• Cellulose:

Les molécules de cellulose sont formées de glucoses liés les uns

aux autres pour former de longues chaînes. Ces chaînes micros-copiques, formées de molécules de glucoses alignées,s’entortillent les unes autour des autres pour former des fibres plus grosses.

Toutes les cellules végétales sont entourées d’une paroi forméede ces fibres de cellulose. Tous les végétaux contiennent donc

de la cellulose.

Matières riches en cellulose :

La cellulose n'est pas à proprement parler un aliment. Elle cons-titue une part importante de ce qu'on appelle les fibres alimen-

taires. Notre système digestif, comme celui de tous les ani-maux, ne peut séparer les uns des autres les glucoses formant lacellulose (les liens chimiques entre glucoses sont différents deceux unissant les glucoses de l'amidon ou du glycogène). On nepeut donc pas digérer la cellulose. Notre système peut la broyer mécaniquement mais ne peut en extraire aucun élémentnutritif. Toute la cellulose que l’on mange ressort, sans modifi-

I-32



La cellule

cations chimiques, ... de l’autre côté du tube digestif (tâchons dedemeurer élégant dans nos propos !). Plus un végétal est "co-riace", plus il est riche en cellulose. En effet, la cellulose sert àformer les structures dures chez les végétaux.

Mais si on ne peut tirer d’éléments nutritifs de la cellulose,

pourquoi conseille-t-on de manger des aliments qui en contien-

nent (aliments riches en fibres) ?

Résumé:

MonosaccharidesGlucoseFructoseGalactose

C6H12O6

DisaccharidesSaccharoseLactoseMaltose

Glucose-FructoseGlucose-GalactoseGlucose-Glucose

PolysaccharidesAmidonGlycogèneCellulose

glu-glu-glu-glu-glu-...-glu

I-33



Chapitre 1

6.4 Digestion des glucides :

Seuls les monosaccharides peuvent traverser la paroi de l'intes-

tin et passer dans la circulation sanguine. Le système digestif devra donc, par les enzymes digestives qu’il sécrète, séparer lesdisaccharides et les polysaccharides en monosaccharides.

Comme seuls les monosaccharides peuvent passer la bar-rière intestinale et être assimilés par le sang qui les trans-

portera au foie puis aux cellules de tout le corps, un di-

saccharide doit donc être brisé en deux monosaccharidesau niveau de l'intestin. Cette digestion se fait à l'aide d'en-

zymes digestives particulières sécrétées par les cellules du

tube digestif. Certains enfants ne sécrètent pas en quantité

suffisante la lactase , l'enzyme digestive nécessaire à sépa-rer le lactose en glucose et galactose. Le lactose, ne pou-

vant être assimilé, se retrouve alors dans le gros intestin

où des bactéries s'en nourrissent et prolifèrent causant ainsi à l'enfant des coliques, ballonnements et diarrhées.

Comment résoudre ce problème ?

Fonction principale des glucides :

I-34



La cellule

7 Les lipides

On classe dans les lipides une grande variété de molécules or-ganiques insolubles dans l’eau. La plupart des lipides sont for-més d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène (C, H etO).

Les prostaglandines constituent uneclasse d’hormones comprenant denombreuses substances aux effets trèsvariés. Elles interviennent dans la réac-tion inflammatoire (la réaction respon-sable de l’enflure et de la rougeur dansles zones blessées ou infectées). Elles jouent également un rôle dansl’apparition de la fièvre et de la douleur.Elles participent au contrôle de la pres-sion sanguine, au contrôle de lacontraction des muscles involontaires(comme ceux des intestins ou del’utérus), à la dilatation du col de l’utérus juste avant l’accouchement, au contrôlede la coagulation sanguine, etc.

Elles tiennent leur nom du fait que lespremières ont été isolées à partir desécrétions de la prostate.

Les trois principaux lipides de l’organisme sont :

• Les triglycérides (ou triacylglycérol)• Les stéroïdes• Les phospholipides

On retrouve aussi en quantités plus faibles d’autres lipides denature différente comme les vitamines A, D E et K , les carotè-nes (pigments jaunes) et les prostaglandines (ce sont des hor-mones).

• Les triglycérides (ou graisses neutres) :

La plupart des lipides de notre alimentation sont des triglycéri-des. Ces molécules se forment par l’union chimique d’une mo-lécule de glycérol à trois molécules d’acides gras.

C

C

C

H

H

OH

OH

OHH

H

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

HH

C

O

OH C

C

C

H

H

OH

OHH

H

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

HH

C

O

O

H O2+

Glycérol + Acide gras Monoglycéride + H O2

Glycérol

Acide gras

On peut fixer trois acides gras sur chaque glycérol. On obtient

alors un triglycéride.Le glycérol est parfois aussiappelé « glycérine ».

C

CH

CH

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

HH

C

O

O

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

HH

C

O

O

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

HC

O

O

Triglycéride I-35



Chapitre 1

+ 3 H O2

G l y c é r o l

Acide gras

Acide gras

Acide gras

G l y c é r o l

Acide gras

Acide gras

Acide gras+

1 glycérol + 3 acides gras 1 triglycéride + 3 H 2 O

Les triglycérides diffèrent les uns des autres par la longueur desacides gras qui les constituent et par le nombre d’atomesd’hydrogène liés à ces carbones. En alimentation, il importe defaire la distinction entre les gras saturés et les gras insaturés :

• Les gras saturés

Dans les gras saturés, les acides gras possèdent le maximumd’hydrogènes possible. Toutes les liaisons entre les carbonessont simples (pas de liaisons doubles).

Les termes « saturé » et « insatu-ré » font référence aux acidesgras de la molécule de triglycé-ride

Dans une molécule organique,chaque carbone ne peut former que 4 liaisons chimiques avec lesautres atomes.

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

O

OH

Acide gras saturéOn ne peut pas modifier un grassaturé en ajoutant de l’hydrogène

à ses carbones. Les gras saturéspossèdent déjà le maximumpossible d’hydrogènes.

• Les gras insaturés

Les gras insaturés possèdent des acides gras dans lesquels on re-trouve une ou plusieurs doubles liaisons. On pourrait ajouter del'hydrogène à ces molécules si on remplaçait les doubles liaisons par des simples.

Les acides gras ne possédantqu’une seul double liaison sont dits« monoinsaturés ».

Ceux possédant plus d’une doubleliaison sont dits « polyinsaturés »

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

O

OH

H C

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

C

H

C

H

C

H

C

H

H

C

O

OH

Acide gras monoinsaturé

Acide gras polyinsaturé

I-36



La cellule

• La plupart des gras d’origine animale sont saturés alors que beaucoup de gras d’origine végétale sont insaturés (il y aquand même des exceptions dans les deux cas).

Certains gras d’origine végétalecomme le beurre de cacao, l’huilede palme et l’huile de noix decoco sont saturés.

• Généralement, les gras saturés sont solides à la température dela pièce (graisses) alors que les gras insaturés sont liquides (hui-les).

De nombreuses études ont démontré qu’il y avait une corrélationétroite entre une forte consommation de gras saturés et les risquesde maladies cardiaques.

On rencontre fréquemment dans lecommerce des huiles « hydrogé-

nées ». Ce sont des huiles polyinsatu-rées auxquelles on a ajouté del’hydrogène les rendant ainsi moinsinsaturées.

Cette opération est courammentutilisée pour « solidifier » des huilesvégétales entrant dans la compositionde la margarine ou pour augmenter ladurée de conservation des huiles.

On peut hydrogéner un gras insaturé. Il s’agit alors de remplacer

une ou plusieurs des doubles liaisons par des liaisons simples. On peut alors ajouter de l’hydrogène aux carbones.

C

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

+ 2H

Portion insaturéed’un acide gras

En remplaçant la doubleliaison par une simple, onpeut ajouter 2 H

Rôle des triglycérides :

Cellulesadipeuses

1. Réserve d’énergie2. Protection3. Isolant thermique

Les triglycérides sont une façon pour l’organisme de mettre en ré-serve de l’énergie. En effet, si notre régime comporte des surplus deglucides ou de lipides (ou de protéines comme nous le verrons plusloin), ces surplus peuvent être transformés en gras qui sont stockés

dans les tissus adipeux. Inversement, si l’alimentation est trop pau-vre en aliments pouvant fournir de l’énergie, les réserves de grasseront alors transformées en dérivés chimiques pouvant servir decarburant dans la respiration.

Poids pour poids, les lipides fournissent deux fois plus d’énergie que les glucides.

I-37



Chapitre 1

Les triglycérides servent aussi de « coussin » protecteur pour cer-tains organes comme les reins.

Ils servent également d’isolant thermique.

• Les phospholipides (ou phosphoglycérolipides)

Les phospholipides ressemblent aux triglycérides. Ils sont formésd’un glycérol lié à deux acides gras et à un groupement chimiquecontenant du phosphore et de l’azote (P et N).

Les phospholipides, comme nous le verrons plus loin, entrent dans

la composition des membranes des cellules.

• Les stéroïdes :

Les stéroïdes sont des molécules qui partagent toutes le même« squelette » de base, le noyau stérol :

Noyau stérol

CC

C

CC

C

CC

CC

CC

C

C

C

C

C

Des atomes d’hydrogène et d’oxygène peuvent se fixer de différen-tes façons sur les carbones du noyau stérol pour former divers sté-roïdes.

I-38



La cellule

CH3

HO

OH

CH3

CH3

CH OH2

O

HO

C

OHO

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3CH2

CH2

CH2

CHCH

HO

CH3

CH3

OH

O

cholestérol cortisone

testostérone

CH3

CH3

CH3

O

C O

progestérone

oestradiol (oestrogène)

STÉROÏDES

Noyau stérol

CC

C

CC

C

CC

CC

CC

C

CC

C

C

G i l l e s B o u r b o n n a i s

Le plus abondant et le plus connu des stéroïdes est le cholestérol.Ce lipide n'est présent que chez les animaux.Les végétaux ne contiennent

pas de cholestérol; seuls lesproduits d’origine animale encontiennent. Le cholestérol est essentiel à notre santé. Il remplit deux grandes

fonctions dans l’organisme :

1. Le cholestérol sert à fabriquer divers stéroïdes ou dérivés destéroïdes comme les hormones stéroïdes, les sels biliaires ou lavitamine D. Les hormones sexuelles comme la testostérone etles œstrogènes sont dérivées du cholestérol.

Certains athlètes cherchent àaméliorer leurs performances enabsorbant régulièrement desstéroïdes anabolisants. Il s’agitde dérivés synthétiques de

testostérone, l’hormone mascu-linisante sécrétée par les testicu-les. Ces hormones stimulent lacroissance des muscles.

2. Le cholestérol entre aussi dans la composition des membranesentourant les cellules.

Près de 80% du cholestérol de l’organisme est fabriqué par lefoie. Le reste est fourni par l’alimentation.

I-39



Chapitre 1

Il y aurait, selon plusieurs études, une corrélation étroite entre un tauxde cholestérol sanguin élevé et les risques de maladies cardiaques,particulièrement l’athérosclérose, une anomalie de la paroi des artè-res. Comme nous le verrons plus loin, l’athérosclérose est caractéri-sée par la formation de plaques d’athérome, des accumulations de

tissus et de cholestérol dans la paroi des artères. La présence deplaques d’athéromes dans les artères du cœur augmente énormé-ment les risques d’infarctus du myocarde (la crise cardiaque).

Dans le sang, le cholestérol s’associe à des phospholipides et des protéines pour former de microscopiques gouttelettes solubles dansl’eau. C’est sous cette forme que le cholestérol se déplace dans toutle corps. On distingue généralement deux types de gouttelettes :

• Les HDL (hight density lipoproteins)• Les LDL (low density lipoproteins) On qualifie souvent les LDL de

mauvais cholestérol et les HDLde bon cholestérol .

Les LDL transportent le cholestérol du foie vers les cellules alorsque les HDL transportent les surplus de cholestérol des tissus versle foie qui peut alors les éliminer en les rejetant dans la bile.

Évidemment, il est préférable d’avoir un taux élevé de HDL et untaux bas de LDL. Lorsqu’on mesure le taux de cholestérol sanguin,il est important de bien distinguer les HDL des LDL. Plus que laquantité absolue de cholestérol, il importe surtout de connaître lerapport HDL / LDL.

I-40



La cellule

8 Les protéines

8.1 Structure chimique

Plus de 50% du poids sec d'un animal est constitué de protéines.Cette proportion est moindre chez les végétaux (les végétaux sontsurtout constitués de cellulose).

Un polymère est une grosse moléculeformée de l’union de molécules pluspetites.

Toutes les protéines sont des polymères d'acides aminés. Un acideaminé est une petite molécule formée de carbone, hydrogène, oxy-gène et azote (soufre parfois). 20 sortes différentes d'acides aminés peuvent entrer dans la composition d'une protéine.

NH

HC C

H

O

OH

RFormule générale

d’un acide aminé

La portion R de la moléculeest variable d’un acide aminéà l’autre

Tous les acides aminés possèdent :

• Un groupement amine : c’est le groupement NH2 • Un groupement acide : c’est le groupement COOH• Une portion variable d’un acide aminé à l’autre (c’est la

portion indiquée par la lettre R sur la figure ci-dessus).

C

H

H N2 COOH

H

CH2

SH

C

H

H N2 COOH

CH3

CH3

CH

CH2

C

H

H N2 COOH

CH3

C

H

H N2 COOH

CH2

C

H

H N2 COOH

Glycine (Gly) Alanine (Ala) Leucine (Leu)

Cystéine (Cys) Phénylalanine (Phé)

Exemples d’acides aminés:

Les 20 acides aminésAlanine (Ala) Glycine (Gly) Méthionine (Met) Sérine (Ser)Cystéine (Cys) Histidine (His) Asparagine (Asn) Thréonine (Thr)Acide aspartique (Asp) Isoleucine (Ilu) Proline (Pro) Valine (Val)Acide glutamique (Glu) Lysine (Lys) Glutamine (Gln) Tryptophane (Trp)Phénylalanine (Phé) Leucine (Leu) Arginine (Arg) Tyrosine (Tyr)

I-41



Chapitre 1

Les acides aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaisonpeptidique. La liaison peptidique se fait entre le groupementCOOH d’un acide aminé et le groupement NH2 de l’autre acideaminé. Au cours de la réaction, une molécule d’eau est éliminée. Il

s’agit donc d’une synthèse par déshydratation.

Liaison peptidique=

Liaison entre deux acides aminé

N NN NH HH

H

H HHC CC CC CC C

H HH H

OO

O O

OH OH OH

R RR R

+ + H O2

Formation d’une molécule d’eau

Dans la cellule, l’union de plusieurs acides aminés forme une pro-téine.

Certaines protéines sont très petites (4 ou 5 acides aminés), d'autresgigantesques (plus de 600 acides aminés). La plupart des protéinescontiennent entre 100 et 200 acides aminés. Notre organisme fabri-querait quelque chose comme 100 000 protéines différentes lesunes des autres.

Exemple de protéine : le lysozyme

Le lysozyme est une protéine présente dans la plupart des cellules. Onen retrouve aussi dans les larmes qui baignent la surface de nos yeux etdans la salive. Cette protéine a la propriété de provoquer l’hydrolyse des

protéines (à son contact, les protéines sont brisées en morceaux). Dansles larmes de l’œil, elle agit comme antiseptique naturel (le lysozymeattaque les protéines des bactéries pouvant causer des infections).Dans la plupart des cellules elle sert à digérer de grosses molécules de-venues inutiles.

Le lysozyme est un polymère formé de l'assemblage, dans un ordreprécis, de 130 acides aminés.

LYS VAL PHE GLU ARG CYS GLU LEU ALA ARG THR LEU LYS

ARG LEU GLY MET ASP GLY TYR ARG GLY ILE SER LEU ALA

ASN TRP MET CYS LEU ALA LYS TRP GLU SER GLY TYR ASN

THR ARG ALA THR ASN TYR ASN ALA GLY ASP ARG SER THR

ASP TYR GLY ILE PHE GLN ILE ASN SER ARG TYR TRP CYS

ASN ASP GLY LYS THR PRO GLY ALA VAL ASN ALA CYS HIS

LEU SER CYS SER ALA LEU LEU GLN ASP ASN ILE ALA ASP

ALA VAL ALA CYS ALA LYS ARG VAL VAL ARG ASP PRO GLN

GLY ILE ARG ALA TRP VAL ALA TRP ARG ASN ARG CYS GLN

ASN ARG ASP VAL ARG GLN TYR VAL GLN GLY CYS GLY VAL

Chacun de ces petits mots de troislettres désigne un acide aminé.Lys, par exemple, correspond à

l’acide aminé appelé lysine; Val àvaline, Phé à phénylalanine, etc.

I-42



La cellule

La chaîne d’acides aminés formant la protéine se replie sur elle-même pour former une structure en trois dimensions ayant uneforme bien précise.

G .

B o u r b o n n a i s

La chaîne d’acides aminés sereplie sur elle-même pour

former une structure pluscompacte possédant uneforme tridimensionnelle bienprécise.

La structure générale de la protéine peut être de nature:L’aspartame (le Nutrasuc ™ ouNutrasweet ™) utilisé dans les

produits « diet » n’est pas unsucre, c’est une petite moléculeformée de deux acides aminésliés l’un à l’autre : la phénylala-nine (PHE) et l’acide aspartique(ASP) associées à un groupe-ment méthyl (CH3) (L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester).

Curieusement, aucun de cesdeux acides aminés ne goûtesucré. Liés chimiquement ils ontun goût amer. Associés au grou-pement méthyl, ils forment unesubstance au goût 180 fois plussucré que le sucre de table.

• Fibreuse : La chaîne se replie alors pour former une longuespirale (comme un ressort). Chacun de ces petits fils peuts’entortiller autour des autres pour former des espèces degros câbles résistants.

• Globulaire : La chaîne se replie pour former une massecompacte (comme sur l’illustration ci-dessous). C’est le casde la grande majorité des protéines connues.

Certaines protéines peuvent être formées de plusieurs chaînes quis’associent les unes aux autres. C’est le cas, par exemple, del’hémoglobine du sang, une protéine formée de quatre polypeptidesintimement associés entre eux.

I-43



Chapitre 1

8.2 Rôle des protéines dans l’organisme

Les protéines remplissent de nombreuses fonctions chez les hu-

mains :

Rôle des protéines :

1. Structure2. Régulation3. Mouvement4. Transport5. Immunité6. Récepteurs et canaux

membranaires7. Enzymes

1. Structure

ex.kératine: cheveux, ongles, corne, sabotscollagène: tendons, cartilage, os et autres tissus conjonctifs

Certaines hormones, les hor-mones stéroïdes, sont desdérivés du cholestérol. C’est lecas, par exemple, des hormo-nes comme la testostérone etles œstrogènes.

2. Régulation : les hormones

La plupart des hormones sont des protéines.

ex.insuline et glucagon : régulation du glucose sanguinvasopressine (ou ADH) : régulation de la teneur en eau du sang

3. Mouvement

actine et myosine : protéines contractiles du muscle

4. Transport

ex.hémoglobine: transport de l'oxygène dans le sanglipoprotéines : transport de lipides dans le sang

5. Immunité

Anticorps (ou immunoglobulines) (il en existe une très grande varié-té); les anticorps nous protègent contre les substances étrangères etles microbes.

6. Récepteurs membranaires et transporteurs protéiques

Comme nous le verrons à la prochaine session, la plupart deshormones agissent sur les cellules en se liant à des protéines spé-cifiques le plus souvent situées à la surface de la membrane. Une

I-44



La cellule

hormone donnée ne peut agir que sur les cellules possédant lesrécepteurs auxquels elle peut se lier.

Vaisseau sanguin

cellule sans récepteur

cellule cible (avec récepteur)L’hormone (indiquée par la lettreH) est transportée part le sang.Elle ne peut agir que sur lescellules qui possèdent un récep-teur sur lequel elle peut se fixer.Ce récepteur est une protéine.

On retrouve également dans la membrane de toutes les cellulesdes protéines permettant de transporter différentes substances(surtout des électrolytes) à travers la membrane. Ces « pompes »cellulaires consomment près du tiers du total de l’énergie totaledépensée par l’organisme à chaque jour.

7. Enzymes

Les enzymes constituent le groupe le plus important des protéi-nes. Ces protéines sont des catalyseurs.

Un catalyseur, c'est une substance qui active une réaction chi-mique qui ne se produirait pas (ou serait très lente) si le cataly-seur n'était pas présent. Sans le catalyseur, la réaction serait trèslente ou il faudrait fournir aux molécules en présence unegrande quantité d’énergie pour les faire réagir entre elles.

Certaines réactions chimiques ne peuvent se faire que si elles

sont activées par un catalyseur. C'est le cas de la plupart des ré-actions chimiques observées dans un être vivant. Les enzymes constituent les catalyseurs activant les réactions chimiques per-mettant la vie.

I-45



Chapitre 1

8.3 Les enzymes

Une cellule ne peut survivre qu'en effectuant continuellement des

milliers de réactions chimiques différentes. Chacune de ces réac-tions ne peut se produire que si la cellule fabrique l'enzyme particu-lière nécessaire au bon déroulement de cette réaction.

Si on mélange, par exemple, de l’amidon avec de l’eau, les molécu-les d’amidon demeureront de l’amidon, même si on brasse vigoureu-sement ou si on chauffe. Les glucoses formant l’amidon n’ont pas dutout tendance à se séparer les uns des autres. Par contre, si onmange cet amidon, il se transformera rapidement en glucoses dansnotre intestin. Pourquoi? Tout simplement parce que notre intestin,contrairement au verre d’eau, contient des enzymes qui catalysent latransformation de l’amidon en glucoses.

De même, le saccharose ne peut pas se transformer en glucose etfructose dans notre café, ce qui pourtant se produit rapidement dansl’intestin (notez que l’enzyme responsable de cette réaction, la sac-charase, est différente de celle responsable de la transformation del’amidon).

Généralement, le nomdes enzymes se terminepar le suffixe « ase ».

Inversement, si on mélangeait dans un verre d’eau du glucose et dufructose, ces deux molécules ne s’uniraient pas spontanément pour former du saccharose. On peut brasser, chauffer le mélange, le glu-cose et le fructose demeurent séparés. Pourtant, dans n’importe quelfruit, ces deux sucres s’assemblent facilement pour former du su-crose. Tout simplement parce que les cellules de ces fruits fabriquentune enzyme catalysant cette réaction.

A B

AB

A + B A-B

EZ

Site actif

Enzyme

B A

G i l l e s

B o u

r b

o n n a i s

I-46



La cellule

Une enzyme donnée est spécifique à une réaction chimique donnéec’est-à-dire qu'une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une ré-action chimique bien précise. L’enzyme responsable de la trans-

formation du saccharose en glucose et fructose n’est pas la mêmeque celle responsable de la transformation du lactose en glucose etgalactose par exemple.

Enzyme=

catalyseur biochimique

spécifique

Nos cellules peuvent fabriquer des mil-liers de protéines différentes. La plupartde ces protéines sont des enzymes.

8.4 Mode d’action d’une enzyme

Lorsque la chaîne d’acides aminés se replie sur elle-même, elleforme une structure compacte présentant des creux et des bosses.Dans certains creux, se trouvent rassemblés des acides aminésqui, ensemble, confèrent à cette région de la protéine, des carac-téristiques chimiques spécifiques. C’est au niveau de ces régions,appelées sites actifs, que s’effectuent les réactions chimiques ca-talysées par les enzymes.

Une enzyme donnée peut re-commencer la même réaction10 000 à 60 000 fois en uneseule seconde.

L’enzyme responsable de l’union chimique du glucose au fructose, par exemple, possède un site actif sur lequel ces deux sucres peuvent sefixer. Lorsque les deux sucres sont fixés au site actif, ils sont alors enbonne position pour réagir un avec l’autre et s’unir. Après la réaction,

le saccharose se détache de l’enzyme qui est alors libre d’effectuer ànouveau la même réaction avec un autre glucose et un autre fructose.Notez que l'enzyme n’est pas modifiée par la réaction chimique qu’ellecatalyse, elle peut resservir à nouveau.

Dans une réaction catalysée par une enzyme, on appelle « subs-trat » le ou les produits sur lesquels agissent l’enzyme et « pro-duit » le résultat final de la réaction chimique.

• L’enzyme est un catalyseur.

• Elle est spécifique à certains substrats.

• Elle n’est pas modifiée par la réaction etpeut servir à nouveau.

Dans la réaction A + B → A-B,A et B sont des substrats et A-Best un produit.

I-47



Chapitre 1

Utilisation du disulfiram dans le traitement des alcooliques

L’alcool consommé peut être éliminé de trois façons différentes par l’organisme:

• Une faible partie est éliminée, au niveau de la peau, par latranspiration;

• Une faible partie est également éliminée par les poumons(d’où l’idée d’évaluer le taux d’alcool dans le sang en dosantle taux d’alcool dans l’haleine);

• La plus grande partie de l’alcool consommé sera transformé,par les cellules du foie, en pyruvate, un dérivé du glucosesans danger pour l’organisme. Deux enzymes sont nécessai-

res pour catalyser cette réaction:

éthanol acétaldéhyde pyruvate

alcool déshydrogénase aldéhyde déshydrogénase

Le pyruvate ainsi obtenu à partir de l’alcool peut être utilisé comme com-bustible par les cellules (respiration cellulaire) ou encore transformé engras (on peut donc engraisser en consommant de l’alcool).

Le disulfiram est un médicament parfois utilisé pour traiter l’alcoolisme.Ce médicament a la propriété de bloquer l’enzyme aldéhyde déshy- drogénase qui catalyse la seconde réaction. Voyez-vous ce qui arriveraità une personne prenant de l’alcool après avoir absorbé du disulfiram?

Eh oui, la réaction d’élimination de l’alcool s’arrêterait à la formation del’acétaldéhyde. L’accumulation de cette substance dans l’organisme pro-voque un malaise généralisé (nausées très désagréables, entre autres)très dissuasif. Un alcoolique ayant pris du disulfiram ne peut donc pas dutout consommer d’alcool.

Il y a plusieurs sortesd’alcool. L’éthanol, c’estl’alcool de consomma-tion contenu dans lesboissons alcoolisées.

I-48



La cellule

8.5 Dénaturation des enzymes

Les enzymes sont très sensibles à la chaleur ou à l’acidité. Ces fac-

teurs peuvent modifier la forme finale de la protéine ce qui aura pour effet de la rendre inactive. On dit alors que l’enzyme a été dé-naturée.

Saviez-vous qu’on peut faire du Jelloavec des ananas en boîte mais nonavec des ananas frais ? L’ananas fraiscontient en effet une enzyme qui a lapropriété de détruire les protéinesformant la gélatine du Jello. Le phéno-mène ne se produit pas avec les ana-nas en conserve puisque les enzymesde ceux-ci ont été dénaturées par lachaleur lors de la stérilisation avant lamise en boîte.

La papaye (la verte surtout) contientégalement une enzyme semblable (uneenzyme qui brise les liens entre lesacides aminés d’autres protéines). Onpeut ainsi attendrir une viande coriaceen la piquant avec une fourchettetrempée dans du jus de papaye.

Si la protéine se déforme, le site actif risque d’être modifié et perdreson affinité avec les molécules qui peuvent normalement s’y fixer.L’enzyme a alors perdu ses propriétés catalytiques, elle ne peut plusremplir sa fonction.

C’est pourquoi la chaleur est mortelle pour les êtres vivants. Àhaute température, les enzymes se dénaturent et perdent leurs pro-

priétés catalytiques. Les réactions chimiques nécessaires au fonc-tionnement de la cellule s’arrêtent. C’est la mort.

Trois facteurs peuvent provoquer la dénaturation d’une enzyme :Les protéines globulaires sont beau-coup moins stables que les protéinesfibreuses. Elles sont donc beaucoupplus faciles à dénaturer.

• Température élevéeLa plupart des enzymes de notre corps se dénaturent lorsquela température dépasse 45 °C

• pH extrême (milieu trop acide ou trop alcalin)• Concentration élevée d’électrolytes dans le milieu

C’est également pour cette raison que les aliments cuits se conser-vent mieux que les aliments crus. La cuisson dénature les enzymesdes cellules de l’aliment. Sans enzymes, les réactions de dénatura-tion qui se poursuivent même après la mort, cessent.

8.6 Protéines et alimentation

Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin. Certainescellules peuvent fabriquer plus de 10 000 protéines différentes.

Dans son ensemble, notre organisme fabriquerait plus de 30 000 protéines différentes.

Les acides aminés nécessaires à cette synthèse proviennent de ladigestion des protéines des aliments. Au niveau de l’intestin, sousl’action des sucs digestifs, les protéines contenues dans les alimentssont brisées en acides aminés qui seront acheminés aux cellules par

I-49



Chapitre 1

la circulation sanguine. Chaque cellule puise dans le sang les acidesaminés dont elle a besoin pour fabriquer ses propres protéines. Unecellule fabriquant du lysozyme par exemple, doit donc, pour chaquemolécule de lysozyme fabriquée, puiser dans le milieu environnant

les 126 acides aminés entrant dans la composition de cette protéine(et, en plus, elle doit les assembler dans le bon ordre).

Pouvez-vous nommer quelques aliments riches en protéines ?

Sous l’action des sucs digestifs, lesprotéines des aliments sont brisées enacides aminés.

Les acides aminés provenant de ladigestion sont acheminés aux cellulespar la circulation sanguine. Les cellulesabsorbent ces acides aminés et lesutilisent pour assembler leurs propresprotéines.

L’organisme d’un homme adultefabrique, quotidiennement,environ 300 g de protéines. Unebonne partie de cette productionse fait à partir d’acides aminésprovenant de protéines deve-nues inutiles que les cellules ontdéfaites en acides aminés. Onne peut cependant pas toujourstout recycler. Il nous faut

consommer tous les jours envi-ron 30 à 90 g de protéines pour compenser les pertes en acidesaminés.

Sans protéines dans notre alimentation, nous souffririons rapide-ment de carences en acides aminés et sans acides aminés, nos cellu-

les ne pourraient plus fabriquer les importantes protéines nécessai-res à leur survie. C'est pourquoi il est si important que notre diètecomprenne des protéines.

Sur les 20 différents acides aminés qui nous sont nécessaires, 8sont dits essentiels car ils ne peuvent absolument pas être fabriqués par notre organisme, on doit nécessairement les puiser dans les

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La cellule

protéines de nos aliments. Or, si les protéines animales contien-nent à peu près les 8 acides aminés essentiels dans les bonnes proportions, les protéines végétales sont par contre généralementdéficientes en certains acides aminés et riches en d'autres qu'on

utilise peu. C'est un peu comme si on avait un jeu de Scrabblecontenant peu de lettres E mais beaucoup de W.

Par contre, souvent un acide aminé rare dans les protéines d'un vé-gétal peut être abondant dans celles d'un autre et vice-versa. Encombinant les deux végétaux dans le même repas, on retrouve alorstous les acides aminés nécessaires à peu près dans les bonnes proportions. C’est ce qu’on appelle la complémentarité des protéines.

Complémentation valableentre la plupart des

aliments de ces groupes

Peu d' aliments de cesgroupes se complètent

mutuellement

CÉRÉALES

PRODUITSLAITIERS

GRAINEStournesolsésame

LÉGUMINEUSESpois

lentilles

Les céréales, par exemple, complètent bien les légumineuses (lesacides aminés rares de l'un sont abondants dans l'autre).

TryptophaneMéthionineValine

ThréoninePhénylalanineLeucineIsoleucineLysine

TryptophaneMéthionine

ValineThréonine

PhénylalanineLeucineIsoleucineLysine

Le maïs est déficient enIsoleucine et lysine

Les haricots sont déficientsen tryptophane et méthionine

Consommés ensemble, l’un apportece qui manque à l’autre et vice-versa

I-51



Chapitre 1

Un végétarien (pas de viande), et à plus forte raison un végétalien (aucun aliment d'origine animale) doit donc veiller à bien combiner,à chaque repas, ses aliments de façon à toujours obtenir tous les

acides aminés essentiels qui lui sont nécessaires. Sans cette précau-tion, un ou plusieurs acides aminés essentiels pourraient manquer etseule une très faible partie des acides aminés des aliments seraitutilisable.

Imaginez qu'on vous donne 1 drapeau bleu, 5 blancs et 5 rouges puisqu'on vous demande, avec ce tissu, de fabriquer des drapeaux français(bleu-blanc-rouge) de la même taille. Vous ne pourriez évidemment fabri-quer que trois drapeaux. Rapidement, le manque de bleu vous forcerait àarrêter votre production même s'il vous reste encore beaucoup de blancet de rouge.

C'est la même chose pour une personne dont la diète est déficiente en un

acide aminé essentiel. Lorsque cet acide aminé vient à manquer, la pro-duction des protéines cesse, même s'il reste encore en circulation denombreux acides aminés. L'organisme utilisera alors ces acides aminésinutiles comme carburant dans la respiration ou encore il les transformeraen gras.

Les protéines d'un aliment courant contiennent tous les acides ami-

nés essentiels à peu près dans les proportions exactes correspon-dant à nos besoins. Le connaissez-vous ?

I-52



La cellule

a) Si la diète est trop pauvre en protéines :

L'organisme ne peut survivre si les cellules manquent d'acidesaminés pour fabriquer leurs protéines. Si la diète ne peut fournir

tous les acides aminés essentiels, l'organisme devra alors digérerses propres protéines (les protéines musculaires surtout) afin defournir à ses cellules les acides aminés dont elles ont besoin. Ain-si, chez une personne dont la diète est carencée en un ou plusieursacides aminés essentiels, on observera rapidement une perte detissu musculaire.

Une personne peut-elle avoir une diète telle qu'elle engraisse

tout en perdant de la masse musculaire ?

b) Si la diète est trop riche en protéines :

L’organisme transforme alors les surplus d’acides aminés en gras(et non en muscles comme le croient naïvement certains culturis-tes qui se gavent de concentrés d’acides aminés !).

8.7 Protéines et maladies héréditairesLes protéines sont à la cellule, ce que les pièces d’un moteur sontà… un moteur. Évidemment, chacune des pièces formant le moteur de votre voiture a une forme bien précise. Il suffirait qu’une seulede ces pièces ne soit pas conforme aux devis du constructeur et lemoteur ne pourrait pas fonctionner. Il en est de même pour nos pro-téines, chacune a une forme, une structure bien précise qui lui per-met de remplir adéquatement son rôle dans le fonctionnement de lacellule. La forme finale d’une protéine ne dépend que de deux fac-teurs : la sorte d’acides aminés formant la protéine et l’ordre danslequel ceux-ci s’enchaînent.

Un seul acide aminé qui ne serait pas à sa place et la protéine pour-rait avoir une autre forme et d’autres propriétés chimiques. Tout lefonctionnement de la cellule et de l’organisme pourrait être pertur- bé.

I-53



Chapitre 1

Les maladies héréditaires, comme la fibrose kystique, l’hémophilie,et bien d’autres, sont toutes dues à une erreur, commise par les cel-lules de la personne atteinte, dans la construction d’une protéine particulière.

Toutes les maladies héréditaires résultent d’une erreur dans la fabrication d’une protéine.

L’hémoglobine est cetteprotéine, contenue dans lesglobules rouges du sang, quitransporte l’oxygène prove-nant des poumons.

Une maladie héréditaire connue sous le nom d'anémie falciforme

(ou anémie pernicieuse) résulte d'une erreur dans la séquence

d'acides aminés d'une partie de la protéine hémoglobine. Chez les personnes souffrant de cette maladie, le 6e acide aminé de la

chaîne est une valine (Val) plutôt qu'un acide glutamique (Glu).

Cette toute petite différence entraîne une modification des pro- priétés physiques et chimiques de l’hémoglobine. Cette anomalie

de l’hémoglobine a pour effet de déformer les globules rouges

du sang (le globule, normalement rond, prend une forme decroissant) ce qui entraîne de nombreux problèmes circulatoires.

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu -Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-

Leu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Try-

Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-

Thr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-

Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-Asp-

Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-

Ala-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-

Val-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-

Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-Glu-

Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-

Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-

His

Séquence des acides aminés d’une des chaînes d’acides aminésformant l'hémoglobine. Chez les personnes souffrant d'anémiefalciforme, le sixième acide aminé de la chaîne est une valine (Val) plutôt qu'un acide glutamique (Glu). Cette seule petite dif-férence est suffisante pour que l'hémoglobine soit anormale aupoint de ne pouvoir remplir adéquatement sa fonction de trans-porter l'oxygène.

I-54



La cellule

9 Les niveaux d'organisation de la matière

Un être vivant comme l'être humain est le résultat de l'assemblagede milliards de cellules. Chacune de ces cellules est elle-même for-mée d'organites cellulaires. Ces organites sont formés de grossesmolécules organiques formées par l'assemblage de molécules orga-niques plus petites. Enfin, les molécules sont le résultat de l'uniondes atomes.

Tout être vivant se caractérise par cette hiérarchie des niveauxd'organisation :

• les atomes s'unissent en molécules,• les molécules en organites cellulaires,• les organites en cellules,• les cellules en tissus,

Un tissu est formé de l'union de nombreuses cellules identi-ques

Ex.

• les tissus en organes,

Un organe est une structure formée de différents tissus remplissant une fonction particulière dans l'organisme

Ex.

• les organes en systèmesUn système est formé d'organes différents coopérant entreeux dans l'accomplissement d'une fonction commune

Ex.

• et enfin l'ensemble des systèmes forme l'organisme.

Notez bien qu’à chaque niveau d’organisation on voit émerger denouvelles propriétés que n’ont pas chacun des éléments formant ceniveau.

I-55



Chapitre 1

Les molécules n’ont pas les mêmes propriétés que les atomes lesconstituant. L’eau (H2O) n’a pas du tout les propriétés de l’oxygèneou de l’hydrogène.

Les molécules peuvent s’unir pour former une structure douée de propriétés uniques dans l’univers : la cellule vivante. La vie est une propriété extraordinaire qui émerge de l’assemblage des molécules.Une cellule vivante, c’est beaucoup plus que la somme des molécu-les qui la composent. De même, aucune molécule ne possède les propriétés d’un être vivant.

Les cellules peuvent s’unir pour former des tissus et des organes possédant des propriétés encore nouvelles. Le cerveau, par exemple permet l’émergence de l’intelligence, de la sensibilité, del’imagination et de la créativité. Le cerveau est beaucoup plus que

la simple addition des cellules qui le constituent. En biologie en particulier, le tout est généralement beaucoup plus que la sommedes éléments le constituant.

I-56



La cellule

AtomeCellule

Tissu

Système

Organisme

Les niveaux d'organisation du corps

Les atomes s'assemblenten molécules

Les cellules sont forméesde milliards de molécules

Organe

Les organes sont formésde différents tissus

Les systèmes sontconstitués d'organesqui travaillent ensemble

Les tissus sont formésde cellules identiques

Cellule musculaire lisse

Tissu musculaire lisse

Système cardiovasculaire

G i l l e s

B o u

r b o n n a

i s

Molécule

I-57



Chapitre 1

10 Le liquide interstitiel

La vie serait apparue, selon les dernières théories, dans les océansde la terre primitive il y a environ 3,5 milliards d’années. Ces pre-miers êtres vivants n’étaient que des unicellulaires semblables aux bactéries actuelles. Il s’écoulera près de 3 milliards d’années avantque n’apparaissent les premiers pluricellulaires formés de nombreu-ses cellules spécialisées. La vie va alors rapidement se diversifier (encore le principe du jeu de « Lego »; avec quelques cellules types,on peut construire une grande variété de formes différentes).

En moins de 100 millions d’années (presque rien quoi !) apparaî-tront la plupart des formes de vie actuelles (vers, mollusques, insec-tes, vertébrés, crustacés, etc.). Dans ces organismes pluricellulaires,les cellules doivent, pour survivre, trouver sensiblement les mêmesconditions chimiques que celles qui leur permettaient de vivre dansles océans à l’époque des unicellulaires. Chez les plus petits, lachose est relativement facile puisque chaque cellule de l’organismeest encore tout près de l’océan. Chez les plus gros, par contre, ilfaudra que se développent différents systèmes, afin de recréer cemilieu interne semblable à celui des océans primitifs ; système res- piratoire pour capter l’oxygène et éliminer le gaz carbonique, sys-tème digestif pour obtenir des éléments nutritifs, système excréteur

pour débarrasser le milieu interne des déchets qui s’y accumulent etsystème circulatoire pour véhiculer tout cela à travers l’organisme.

Il y a environ 450 millions d’années les premiers êtres vivants sontsortis des océans pour conquérir la terre ferme ; d’abord les plantes, puis des espèces de scorpions primitifs et enfin les premiers verté- brés, nos ancêtres. Même sur la terre ferme, les organismes doiventcontinuer à faire baigner leurs cellules dans un milieu stable semblable à l’océan primitif. Nous vivons au sec, mais chacune de noscellules est un être aquatique. C’est pourquoi notre corps est im- perméabilisé par plusieurs couches de cellules mortes imprégnées

de kératine et de gras. Sous cette barrière, nos cellules continuent àvivre dans l’eau, comme leurs ancêtres unicellulaires.

Cet océan intérieur, essentiel à la survie des cellules, se forme à partir du sang. On l’appelle « liquide interstitiel ». Chaque cellule puise dans ce liquide ce dont elle a besoin pour vivre et rejette les

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La cellule

déchets qui risqueraient de l’étouffer. La cellule ne pourrait survivresans ces échanges continuels avec le liquide interstitiel.

Liquide interstitiel

Milieu intracellulaire

Aliments

Intestin

Déchets

Digestion

Échanges entre le sang, le liquideinterstitiel et le liquide intracellulaire

Ces échanges essentiels à la survie de la cellule se font à travers unemince frontière, la membrane cellulaire (ou membrane cytoplas-mique).

Notre organisme est formé de plusieurs sortes de cellules de diffé-rentes formes et de différentes tailles.

Certaines sont sphériques (cellules graisseuses), d’autres res-

semblent à des galettes (cellules de l’épiderme) ou à de petitsdisques (globules rouges). Certaines ressemblent à de longs fila-ments pouvant atteindre plusieurs centimètres de longueur (cellu-les musculaires) et d'autres à des genres de pieuvres dont cer-tains «tentacules » peuvent avoir plus d’un mètre de longueur (neurones). Chacune de ces cellules remplit une fonction bienprécise dans le fonctionnement de l’organisme.

Même si elles peuvent présenter de grandes différences entre elles,toutes les cellules sont formées :

• D’une membrane cellulaire (ou plasmique)

La membrane sépare le milieu interne de la cellule de son milieuexterne.

Certaines cellules comme lesglobules rouges perdent leur noyau lorsqu’elles deviennentmatures.

• D’un noyau Le noyau est une grosse structure renfermant le matériel généti-que de la cellule. Ce matériel génétique contrôle tout le fonc-tionnement de la cellule.

I-59



Chapitre 1

• Du cytoplasme Le cytoplasme comprend tout le matériel situé entre la membrane et le noyau. On y retrouve :

Le cytosolC’est le nom donné à la portion liquide du cytoplasme. Lecytosol est un liquide gélatineux renfermant une grande va-riété de molécules organiques et inorganiques (protéines,électrolytes, glucides ...).

Les organites et inclusionsLes organites sont de petites structures remplissant des fonc-tions précises dans la cellule.Les inclusions sont des sacs qui peuvent se former et se dé-

faire. Ils renferment des produits synthétisés par la cellule.

On note cependant certaines différences entre la cellule animale etla cellule végétale:

1. Les cellules végétales sont en général beaucoup plus grosses

que les cellules animales (100 à 200 µm contre environ 20 µm pour les cellules animales).

2. Présence chez les cellules végétales d'une paroi rigide et épaisse

faite de cellulose (en plus de la membrane).

3. Présence chez les cellules végétales d'une grande vacuole d'eau

occupant presque tout l'espace au centre de la cellule. Cette va-cuole constitue une réserve d'eau pour la plante.

4. Les cellules des parties vertes de la plante contiennent des gra-

nules verts, les chloroplastes. Ces structures permettent à la cel-lule de capter et d'utiliser l'énergie lumineuse (photosynthèse).

Dans ce chapitre, nous étudierons les principales structures formantla cellule, d’abord la membrane et, ensuite, les différents organi-tes. Vous verrez comment les molécules que nous avons étudiéesdans le dernier module s’assemblent pour former ces structures cel-lulaires.

I-60



La cellule

Mitochondrie


Appareilde Golgi

Noyau

Nucléole

Membrane cellulaire

Vésicule

G i l l e s

B o u

r b o n n a i s

Ribosomes

I-61



Chapitre 1

I-62



La cellule

11 La membrane cellulaire

La membrane cellulaire est très mince. Elle ne mesure que 7.5 nm (nanomètres) d’épaisseur.

Il faudrait superposer 10 000 cou-

ches de membrane cellulaire pour obtenir l’épaisseur de cette feuillede papier.

En plus d’entourer la cellule, de la séparer du milieu dans lequelelle baigne, la membrane forme presque toutes les structures (orga-nites, noyau et inclusions) observées à l’intérieur de la cellule.

11.1 Structure chimique de la membrane

La membrane cellulaire est surtout formée de :

• Lipides

Phospholipides et glycolipidesLes phospholipides sont disposés en deux cou-ches.Environ 10% des phospholipides de la coucheexterne sont liés à des glucides. Ces combinai-sons lipide-glucide sont appelées glycolipides.

Chacune des deux extrémités d’une molécule de phospholipide ades propriétés différentes face à l’eau :• Le côté phosphate est hydrophile (affinité avec l’eau)

• Les chaînes d’acides gras sont hydrophobe (peu d’affinitéavec l’eau)Portion hydrophile

Si on place des phospholipides dans l’eau, les molécules onttendance à se regrouper d’une façon particulière : les molécu-les s’empilent de façon à regrouper ensemble les portions hy-drophobes et à mettre en contact avec l’eau les portions hy-drophiles. Il se forme alors une double couche de phospholipi-des comme on peut le voir sur l’illustration ci-contre.

• CholestérolPortion hydrophobeLes molécules de cholestérol sont intercaléesentre les phospholipides. Elles rendent la membrane plus fluide.

• Protéines et glycoprotéines

Certaines protéines ( protéines périphériques) « flottent »à la surface des lipides ou s’y enfoncent partiellement.

I-63



Chapitre 1

La plupart traversent complètement la double couche delipides ( protéines transmembranaires). Ces protéines peuvent former des canaux permettant

aux électrolytes de traverser la membrane.

D’autres servent de « transporteur ». Elles peuvent selier à une substance particulière et l’aider à lui fairetraverser la membrane.

La plupart des protéines de la face extérieure sont liées àdes glucides. Ces molécules sont appelées glycoprotéi-nes.

Molécule de phospholipide

Protéine «canal»

Molécule de cholestérol

Polysaccharide

Protéine de surface

Structure moléculaire de la membrane cellulaire

G .


7,5 nm

OU

Molécule de phospholipide

Représentation compacte Représentation symbolique

I-64



La cellule

Ce sont les glycoprotéines de la membrane qui font que nos cellulessont uniques. Alors que les lipides sont sensiblement les mêmes pour tous, les glycoprotéines de la membrane sont très variables. Il

n’y a pas deux individus au monde qui ont exactement les mêmesglycoprotéines (sauf les jumeaux identiques). Certaines de ces pro-téines servent d’ailleurs de « marqueurs » permettant au systèmeimmunitaire de reconnaître ses propres cellules des cellules étrangè-res.

Les groupes sanguins (systèmeABO) sont déterminés par la pré-sence ou l’absence de certainesglycoprotéines à la surface descellules.

Ainsi, si on vous greffait un organe provenant d'un autre individu,votre système immunitaire (globules blancs et anticorps) reconnaî-trait que ces nouvelles cellules ne vous appartiennent pas. Plusieursdes protéines à la surface des cellules greffées ne sont pas les mê-mes que celles que l'on trouve à la surface de vos propres cellules.

Trahies par leurs protéines, les nouvelles cellules seraient rapide-ment détruites par votre système immunitaire ; il y aurait rejet de lagreffe.

11.2 Rôles de la membrane

• Frontière entre l’intérieur de la cellule (le cytosol) etl’extérieur de la cellule (liquide interstitiel). La membrane permet à la cellule de conserver un milieu intérieur différentdu milieu extérieur dans lequel elle baigne.

• Union des cellules entre elles :Dans les tissus, les cellules s'unissent les unes aux autres par l’intermédiaire des glycoprotéines et glycolipides de leursmembranes.

• Échanges entre le cytosol et le liquide interstitiel :La cellule ne peut vivre que si elle effectue des échangesavec le milieu qui l’entoure. Continuellement, elle doit ab-sorber certaines substances (nourriture, oxygène, minéraux)et en rejeter d’autres (déchets, matières en surplus, gaz car-

bonique). Tous ces échanges se font au niveau de la membrane.

Enfin, n’oubliez pas que presque toutes les structures qu’on ob-serve à l’intérieur de la cellule (les organites et inclusions) sontformées de membranes.

I-65



Chapitre 1

12 Le transport membranaire

La membrane cellulaire possède une perméabilité dite sélective,c’est-à-dire qu'elle se laisse traverser par certaines substances mais pas par d'autres.

Le passage des substances à travers la membrane peut se faire par :

• Transport passif • Transport passif : se fait s

dépense d’énergie de la parla cellule.

• Transport actif : nécessitedépense d’énergie de la parla cellule.

Le transport passif ne nécessite aucune dépense d’énergie dela part de la cellule. Il se produit même si la cellule estmorte.

• Transport actif Le transport actif demande une dépense d’énergie de la partde la cellule. Il ne peut se produire que si la cellule est vi-vante et active.

12.1 Transport passif : diffusion, osmose et diffusionfacilitée

12.1.1 La diffusion simple

Si elle peut traverser la membrane, une substance diffusera ducôté où elle est le plus concentrée vers le côté de la mem-brane où elle l'est moins et ce jusqu'à équilibre des concentra-tions.

Imaginez un aquarium divisé en deux par une grille dont lesmailles sont assez grandes pour laisser passer les poissons quisont regroupés du côté gauche. Que devrait-on observer aprèsun certain temps ?

I-66



La cellule

Eh oui, les poissons vont occuper tout l’espace disponible et ondevrait bientôt compter à peu près cinq poissons dans chacundes deux compartiments.

Remplacez les poissons par des molécules dissoutes dans del’eau et la grille par une membrane percée de pores assez gros

pour laisser passer ces molécules dissoutes. Si on place plus demolécules d’un côté que de l’autre, on devrait observer un dé- placement des molécules du côté où elles sont les plus nombreuses vers le côté où elles le sont moins. C’est ça la diffu-sion.

Les molécules de soluté (les petitspoints noirs) diffusent à travers lamembrane, de la zone la plus con-centrée à la zone qui l’est moins.Lorsque l’équilibre des concentra-tions est atteint, il se déplace alorsautant de molécules de gauche àdroite que de droite à gauche.

La diffusion se fait toujours de lazone où la concentration est la plusélevée à la zone où la concentra-tion est plus faible En effet, les molécules dissoutes se déplacent au hasard à

haute vitesse dans l'eau (toute molécule dissoute dans un li-quide est animée d'un mouvement continuel). S'il y a plus demolécules d'un côté de la membrane que de l'autre, globale-ment, il y aura plus de molécules qui se déplaceront de la zoneà haute concentration vers la zone à plus faible concentration

que l'inverse. Globalement, il y aura donc déplacement de lasubstance de la zone à haute concentration vers la zone à fai-ble concentration. À l'égalité des concentrations, les moléculescontinuent à traverser la membrane sauf qu'il y en a autant quise déplacent dans un sens que dans l'autre. Globalement, lesconcentrations demeurent donc égales.

Concentrationélevée

Concentrationfaible

I-67



Chapitre 1

Lorsqu’une substance est plus concentrée dans une région quedans une autre, on dit alors qu’il y a un gradient de concentra-tion entre les deux régions. Si la substance peut se déplacer d’une région à l’autre, elle le fait toujours en suivant son gra-

dient de concentration, c'est à dire de la zone la plus concen-trée à la zone qui l’est moins.

Gradient de concentration=

Différence de concentration entredeux régions.

Une substance diffuse toujours ensuivant son gradient de concentra-tion, c’est à dire du plus concentré

au moins concentré.

Si une substance est plus abondante dans le liquide interstitielentourant la cellule qu’à l’intérieur de la cellule, et si la membrane se laisse traverser par cette substance, on devrait observer une diffusion de la substance de l’extérieur vers l’intérieur dela cellule. C’est ainsi que l’oxygène quitte les vaisseaux san-guins pour pénétrer dans les cellules, par exemple.

Des substances peuvent traverser la membrane :

• En traversant directement les deux couches de lipides.C'est le cas des petites molécules comme l’eau, l’oxygèneou le gaz carbonique et des substances solubles dans lesgras.

• En passant par de petits canaux formés par des protéines tra-versant toute l'épaisseur de la membrane. C’est ainsi quel'eau et les électrolytes traversent la membrane.

Certains de ces canaux sont très sélectifs et ne laissent pas-

ser qu'une ou quelques substances bien précises.Certains de ces canaux peuvent aussi s'ouvrir ou se fermer en réponse à des signaux chimiques ou électriques au niveaude la membrane. Même si les ions sont générale-

ment de très petite taille (Na+, Cl-,K+, Ca++, ...) ils ne peuvent paspasser à travers les couches delipide. Ils traversent la membraneen passant par de petits canauxprotéiques remplis d’eau.

12.1.2 La diffusion facilitée.

Certaines protéines de la membrane peuvent s’associer à unemolécule et relâcher cette molécule de l'autre côté de lamembrane. Ce mode de déplacement est appelé diffusion

facilitée. Le glucose, par exemple, pénètre dans les cellules par diffusion facilitée.

La diffusion facilitée ne nécessite

pas une dépense d’énergie de lapart de la cellule. Comme la diffu-sion simple, elle se fait toujours ensuivant un gradient de concentration (de la région la plus concentréà celle qui l’est moins).

On croît que le passage de la substance à travers la membranes’effectue suite à un changement de la forme de la protéine à la-quelle elle se lie. Le changement de forme de la protéine a pour effet de déplacer la substance d’un côté à l’autre de la membrane.

I-68



La cellule

Protéine servantde transporteur

Le glucose pénètre dans les cellulespar diffusion facilitée. L’insuline,l’hormone qui abaisse le taux deglucose dans le sang, a pour effet,d’augmenter dans les membranesdes cellules le nombre de protéinespouvant transporter du glucose. Sousl’effet de l’insuline, les cellules de-viennent donc plus perméables auglucose. Celui-ci pénètre dans lescellules ce qui en fait baisser le tauxdans le sang.

12.1.3 L'osmose

Puisque la membrane est perméable à l'eau, l’eau peut donc dif-fuser à travers la membrane s’il existe un gradient de concen-tration de part et d’autre de celle-ci. On appelle osmose la dif-fusion de l’eau.

Osmose=

Diffusion de l’eau à traversla membrane.

Il y a osmose si deux zones de concentrations différentes sontséparées l’une de l’autre par une membrane perméable àl'eau. L'eau se déplace alors de la zone la moins concentrée ensoluté à la zone la plus concentrée en soluté non diffusible.

Lorsqu’on compare les concentrations de deux solutions :• La solution la plus concentrée en soluté est dite hyperto-

nique par rapport à l’autre.• La solution la moins concentrée en soluté (la plus diluée),

est dite hypotonique par rapport à l’autre.• Si les deux solutions ont la même concentration, on les dit

isotoniques l’une par rapport à l’autre.

L’osmose se fait toujours d’une région hypotoniqueà une région hypertonique.

I-69



Chapitre 1

Plus une solution est concentrée en soluté, plus son osmolarité estélevée. L’osmolarité est une mesure de la concentration quis’exprime en nombre de particules dissoutes par unité de volume.

Solutionhypertonique

Solutionhypotonique

H O2

Les deux compartimentssont maintenant isotoniques

Membrane perméable àl’eau, mais pas au soluté

H O2

L’eau se déplace par osmose ducompartiment hypotonique (àgauche) vers le compartimenthypertonique (à droite).Notez bien que c’est l’eau qui sedéplace et non le soluté (lamembrane ne le laisse paspasser).

Il y a plus de molécules d’eaudans le compartiment hypotonique que dans le compartimenthypertonique. L’eau se déplacede là où elle est abondante à làoù il y en a moins. C’est l’osmo

Compartimenthypotonique

Compartimenthypertonique

Molécule d’eau

Molécule de soluté

Ex. On plonge une cellule dans une solution concentrée en sel

(NaCl) (la membrane cellulaire est perméable à l’eau mais à

peu près imperméable au sel):

Quelle région est hypertonique?

Laquelle est hypotonique? Sur ce dessin, les petits pointsreprésentent le sel. Si la memest imperméable au soluté, dquel sens se déplacera l’eau? Dans quel sens se déplacera l’eau ?

Et si la membrane était perméable au sel, que se passerait-

il?

I-70



La cellule

Dans l’organisme, l’eau se déplace d’une zone à l’autre par os-mose : de l’intestin au sang, du sang au liquide interstitiel et du li-quide interstitiel aux cellules.

Pourquoi les solutés injectés aux patients sont-ils généralement

isotoniques avec les liquides de l’organisme? Que se produirait-il sion injectait dans la circulation un produit hypotonique?

Que représente chacune deslignes pointillées sur le schémaci-contre?

Et si on injectait un produit hypertonique?

Pourquoi peut-on conserver des aliments en les plongeant dans de lasaumure (solution saturée en sel) ?

Le transport actif ressemble à ladiffusion facilitée sauf que :

• Il nécessite une dépensed’énergie de la part de la cel-lule.

• Il peut se faire contre le gra-dient de concentration.

12.2 Transport actif

• Peut se faire contre le gradient de concentration. C’est-à-dire en sens inverse de la diffusion.

• Nécessite une dépense d'énergie de la part de la cellule.

• Nécessite un transporteur protéique 40% de toute l'énergie que nousdépensons tous les jours sert àentretenir les mécanismes de trans-port actif au niveau des membranesde nos cellules.

On observe, dans l'épaisseur de la membrane des cellules,des protéines spéciales, appelées transporteurs, qui agis-sent comme des "pompes". Ces protéines peuvent se fixer àune substance puis, en se déformant, faire traverser lamembrane à cette substance. Ce mécanisme demande unedépense d'énergie de la part de la cellule.

I-71



Chapitre 1

Transport actif La molécule transportée péndans le transporteur. La défo

tion du transporteur permet àmolécule de pénétrer dans lacellule. Cette déformation nésite une dépense d'énergie dpart de la cellule.

Les acides aminés ainsi que certains électrolytes comme le Na+ et leK + sont transportés contre leur gradient de concentration par transport actif.

Le transport actif permet à la cellule de maintenir une compositionchimique interne différente de la composition chimique du milieudans lequel elle baigne. Sans les mécanismes de transport actif, lesconcentrations s'équilibreraient par diffusion, la composition internedeviendrait sensiblement identique à la concentration externe. C'estce qui se produit à la mort de la cellule.

I-72



La cellule

Na+ 142 mEq/L 10 mEq/L

K+ 5 mEq/L 141 mEq/L

Ca++ 5 mEq/L < 1 mEq/L

Mg++ 3 mEq/L 58 mEq/L

Cl-

103 mEq/L 4 mEq/L

HCO3-

28 mEq/L 10 mEq/L

Phosphates 4 mEq/L 75 mEq/L

SO4 1 mEq/L 2 mEq/L

Glucose 90 mgm % 0 à 20 mgm %

Acides aminés 30 mgm % 200 mgm %

Cholestérol

PhospholipidesGraisses neutres

0,5 gm % 2 à 95 gm %

pH 7,4 7,1

--

COMPOSITION CHIMIQUE DES FLUIDESEXTRA ET INTRACELLULAIRES

FLUIDES

EXTRACELLULAIRES

FLUIDES

INTRACELLULAIRES

I-73



Chapitre 1

12.3 Transport en vrac

Certaines cellules peuvent absorber ou rejeter une substance en l'en-fermant dans une partie de leur membrane. Cette déformation de lamembrane nécessite une dépense d’énergie de la part de la cellule.

• Exocytose : une vésicule du cytoplasme (c’est un petit sac ren-fermant une substance) s’accole à la membrane et s’y fusionne.Le contenu de la vésicule est alors rejeté à l’extérieur de la cel-lule. C’est de cette façon, par exemple, que les cellules del’intestin rejettent les enzymes digestives nécessaires à la diges-tion des aliments.

• Endocytose : la membrane se déforme en s’invaginant versl’intérieur. Il se forme une vésicule contenant une partie du mi-

lieu extérieur. La vacuole se détache de la membrane et migredans la cellule.

Exocytose

Endocytose

CytoplasmeCytoplasme

Lorsque la substance absorbée par endocytose est une grosse parti-cule (une bactérie absorbée par un globule blanc par exemple) on parle alors de phagocytose.

PHAGOCYTOSE D'UNE BACTÉRIE PAR UN GLOBULE BLANC

Bactérie

globule blanc

noyau cellulairevacuole contenant desenzymes digestives

G .


I-74



La cellule

13 Réticulum endoplasmique et appareil deGolgi

Ces deux structures cellulaires sont formées de replis de la membrane formant des sacs communiquant entre eux (reticulum endo-plasmique) ou empilés les uns sur les autres (Golgi).

Rôle:• Stockage de substances

• Transport intracellulaireo à l'intérieur du reticulum endoplasmiqueo par de petites vésicules d'exocytose et d'endocy-

tose• Modifications chimiques de substances stockées


Appareilde Golgi

Noyau

Membrane cellulaire

Vésicule

Réticulum endoplasmique

Appareil de Golgi

Membrane du noyau

Noyau

Ribosomes

I-75



Chapitre 1

14 Mitochondries et métabolisme énergétique

La respiration du glucose se fait en de nombreuses étapes. La plupart de ces étapes se déroulent dans les mitochondries. Les mitochondries sont le sièg

la respiration cellulaire qui foul’énergie nécessaire au fonctinement de la cellule.

Plus une cellule dépensed’énergie, plus elle contient dmitochondries.

14.1 Structure

Les mitochondries sont de petites structures mesurant moins d’unmicromètre. Leur nombre, dans chaque cellule, peut varier de quel-ques dizaines à plusieurs milliers. Plus une cellule dépense d'éner-gie, plus elle travaille, plus elle contient de mitochondries.

Mitochondrie

Membrane externe

Membrane interne

Mitochondrie

14.2 Production d'énergie par respiration

Pour se maintenir en vie, une cellule doit continuellement dépenser de l'énergie. Cette énergie sert à activer les nombreuses réactionschimiques qui se déroulent à l'intérieur de la cellule.

L'énergie nécessaire est produite dans la mitochondrie par un pro-cessus chimique appelé respiration.

I-76



La cellule

La respiration est un processus chimique analogue à la combus-tion. Au cours de ce processus, de la matière organique (sucres, grasou acides aminés des protéines) se combine à de l'oxygène. Cetteopération chimique transforme la matière organique en matière

inorganique plus simple, essentiellement de l'eau et du gaz carbo-nique.

matière organique (glucide, lipide ou acide aminé)+ O2

matière inorganique + H2O + Énergie

Matière organique = matière constituée de grosses moléculescontenant plusieurs atomes de carbone. C'est le cas des principalesmolécules formant la matière vivante (sucres, protéines, gras, etc.).

Matière inorganique = matière formée de petites molécules necontenant pas d'atomes de carbone ( H2O, NaCl, NH3, SO2 par exemple) ou n'en contenant qu'un seul (comme le CO2 par exemple).

Bien que les cellules puissent également "brûler" des lipides oumême des acides aminés, le glucose (petite molécule de sucre) de-meure néanmoins leur combustible préféré.

1 C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E

I-77



Chapitre 1

1 C H O6 12 6 6 O2 6 H O26 CO2

La respiration du glucose

Carbone

Oxygène

Hydrogène

G .


Au cours d'une combustion, la réaction chimique entre la matière etl'oxygène est rapide et l'énergie se dégage rapidement sous forme dechaleur. La respiration, elle, se fait en de nombreuses étapes aucours desquelles l'énergie est dégagée dans la cellule de façon pro-gressive. Une partie de l'énergie dégagée servira à effectuer un tra-vail chimique dans la cellule. Le reste de l'énergie dégagée se perden chaleur.

La plupart des étapes de la respiration se déroulentdans la mitochondrie. La mitochondrie est donc la

centrale énergétique des cellules.

I-78



La cellule

14.3 Le transport de l'énergie dans la cellule

Dans la cellule, certaines réactions chimiques dégagent de l’énergie

= réactions exergoniques :

E

X Y

D’autres (la plupart) en nécessitent = réactions endergoniques

B

E

Les réactions exergoniques peuvent fournir aux réactions en-dergoniques l’énergie dont elles ont besoin :

B

E

X Y

La principale réaction exergonique de la cellule, c’est la respira-tion cellulaire

mat. organique + O2 → mat. inorganique + E

ex. respiration du glucose

1 C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + E

L’énergie produite par respiration sert à activer les réac-tions endergoniques.

E

1 C H O6 12 6+ +6 O2 6 CO2 6 H O2

Travail cellulaire

I-79



Chapitre 1

Le transfert de l’énergie de la respiration (exergonique) aux réac-tions endergoniques qui la consomment se fait par l’intermédiaired’une molécule, l’adénosine triphosphate ou ATP

Structure de l’ATPL’ATP est une molécule formée

• d’une base azotée : adénine

• d’un sucre à 5 C : ribose • de trois groupements phosphate (H3PO4)

Base azotée(adénine)Groupement phosphate

Sucre (ribose)

Adénosine triphosphate (ATP)

Les liaisons entre les phosphates sont faciles à briser ou à re-former. Si la liaison retenant le troisième phosphate est brisée, ily aura alors libération d’énergie.

ATP ADP + P

E

Inversement, il faut fournir de l’énergie pour refaire la liaison P

ATPADP + P

E

I-80



La cellule

P PP PPP +

+

+

+

29,2 kJ

ATP ADP P E

L’énergie libérée quand l’ATP devient ADP + P peut servir à acti-ver une réaction endergonique

B

E

ATP ADP + P

On représente par une double flèche ce type de réaction couplée (oùl’une fournit de l’énergie à l’autre) :

B

ATP ADP + P

De même, une réaction exergonique peut fournir l’énergie pour re-former de l’ATP :

EATPADP + P

X Y

On écrira plutôt :

ATPADP + P

X Y

I-81



Chapitre 1

Ex. respiration cellulaire (réaction fortement exergonique) :

1 C H O6 12 6+ +6 O2 6 CO2 6 H O2

36 ADP + 36 P 36 ATP

L’énergie du glucose est maintenant accumulée dans les ATP qui peuvent se déplacer dans la cellule et fournir de l’énergie partout oùil en faut.

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

I-82



La cellule

Rendement de la respiration (i.e. proportion de l'énergie contenuedans le glucose qui se retrouve sous forme d'énergie chimique dansl'ATP):

Les acides aminés et les lipides peuvent être modifiés en substances pouvant être dégradées, en présence d'oxygène, dans la mitochon-drie. Ils peuvent donc aussi fournir de l'énergie. Les glucides autresque le glucose peuvent être modifiés en glucose (ou en fructose).

N.B. Les plantes aussi respirent. Comme tout être vivant, elles ont besoind'énergie pour vivre. L'énergie lumineuse qu'elles captent est utili-sée pour synthétiser du glucose par photosynthèse à partir de CO 2

et de H 2 O. Ce glucose est ensuite respiré dans les mitochondriesdes cellules.

Même si les gras sont plus difficiles à brûler, ils fournissent plusd'énergie à la cellule que les sucres :

• Énergie fournie par 1g de glucides (sucres) ou 1 g de protéi-

nes :

• Énergie fournie par 1g de lipides (gras) :

Dépense énergétique quotidienne d'une personne :

Énergie consommée selonl'activité

Énergie fournie par certains ali-ments

Repos total : 1 carotte :

Assis: 1 banane :

Debout: 100 g de bœuf haché :

Marche: 1/2 tasse d'arachides :

Jouer au tennis : 1 bière :

I-83



Chapitre 1

Si une personne demeurait couchée et immobile pendant toute une journée (24 heures) combien d'énergie dépenserait-elle ?

En diététique, on utilise souvent, comme unité d'éner- gie, la Calorie (la grande calorie, avec un grand C)

qui équivaut à 1 Kcal ou 1000 calories (petites calo-

ries, avec un petit c). Grande ou petite calorie, peuimporte, selon le système international de mesures on

ne devrait utiliser, comme unité de mesure de l'éner-

gie, que l'unité joule. Un joule vaut environ 1/4 de ca-lorie (exactement, 4.1855 joules = 1 calorie). C'est

pourquoi, de plus en plus souvent, la valeur énergéti-

que des aliments ou les dépenses énergétiques d'une personne s'expriment en kilo joules (1 kilo joule =

1000 joules).

I-84



La cellule

15 Le noyau

• Vu au microscope optique, le noyau apparaît comme unemasse sombre granulée. On y distingue souvent un ou plu-sieurs nucléoles, petits amas denses et sphériques de taillesvariables.

• Le noyau est délimité par une double membrane percée denombreux pores microscopiques.

Mitochondrie


Appareilde Golgi

Noyau

Nucléole

Membrane cellulaire

Vésicule

G i l l e s

B o u

r b o n n a i s

Comme nous le verrons au prochain chapitre, le noyau renferme lesgènes et les chromosomes responsables de nos caractéristiques phy-siques héréditaires.

I-85



Chapitre 1

16 Les chloroplastes et la photosynthèse

Contrairement aux animaux qui doivent absolument absorber desmolécules organiques en se nourrissant d'autres êtres vivants, les plantes peuvent fabriquer à partir de matières inorganiques les ma-tières organiques dont elles ont besoin pour vivre (glucides, lipides, protides...).

Mat. organiqueMat. inorganique

E lumineuse

E (ATP)

+ O2

Respiration

Photosynthèse

La photosynthèse constitue l'étape principale de ce processus desynthèse de matière organique à partir de matières inorganiques:

ATP ADP + P

6 CO + 6 H O2 21 C H O + 6 O6 12 6 2

I-86



La cellule

Les principales étapes de cette réaction se déroulent dans les chlo-roplastes.

Selon le type de cellule, le nombre de chloroplastes varie de 1 à

200.

Les thylakoïdes des chloroplastes contiennent:

• chlorophylle ( principal pigment) (deux types, a et b)

• xanthophylles ( pigments jaunes)

• caraténoïdes ( pigments rouges orangés)

Ces pigments ont la propriété de pouvoir capter et transmettre àd'autres molécules l'énergie lumineuse.

I-87



Chapitre 1

En simplifiant énormément le processus impliquant de nom-breuses réactions on peut résumer ainsi la photosynthèse:

La première étape de cette réaction consiste en l'acceptation del'énergie solaire par la chlorophylle.

e

e

E lumineuse

ChlorophylleÉtat fondamental

E

Chlorophylle activée

Chaleur Lumière (fluorescence)

10 s-9

L'énergie ainsi captée sert à former des ATP à partir d'ADP etde P.

e ADP + P

ATP

Chlorophylle activée

L'énergie contenue maintenant dans l'ATP sert à former du glu-cose (l'ATP redevenant ADP et P).

I-88



La cellule

chlorophylle chlorophylle activée

ATP ADP + P

CO + H O2 2 GLUCOSE + O2

Énergie lumineuse

EE

La photosynthèse (très, très, très simplifiée)

I-89



Chapitre 1

glucose 6-phosphate

fructose 6-phosphate

fructose 1,6-diphosphate

dihydroxyacétone 3-phosphate(molécule à 3 C) (molécule à 3 C)

phosphoglycéraldéhyde (PGAL)

1,3-diphosphoglycérate

3-phosphoglycérate

2-phosphoglycérate

phosphoénolpyruvate

hexokinase

phosphohexoseisomérase

phospho-fructokinase

aldolase

triose phosphatedéshydrogénase

phospho-glycératekinase

phosphoglycératemutase

énolase

pyruvate kinase

ATP

Pi

ADP

ATPADP

ATPADP

ATPADP

NADNADH2

H O2

CH3 C COOH- -O =

glucose (molécule à 6 C)

(C H O )6 12 6

CH OH2

HH

H

H

HO

OH OH

OH

OH

LA GLYCOLYSE

Bilan de la glycolyse

1 glucose 2 pyruvate + 2NADH + 2 ATP2

2 NAD

2 ADP+ 2 Pi cycle de Krebs chaîne

respiratoirepyruvate

G i l l e s

B o u

r b o n n a

i s

Ce schéma représente les premières étapes de la respiration du glu-cose. Cette partie de la respiration se déroule dans le cytosol. Lasubstance obtenue, le pyruvate, est ensuite acheminée dans la mito-chondrie où se dérouleront les autres étapes de la respiration.

I-90



La cellule

CH3 C COOH

O

CH3 C

O

S CoA

HO C COOH

CH2

COOH

CH2

COOH

H C COOH

C

COOH

CH2

COOH

O

C

COOH

CH2

CH2

COOH

O

C

CH2

CH2

COOH

COOH

CH

CH

COOH

COOH

CH2

COOH

COOH

HC OH

CH2

COOH

COOH

C O

CoASH NAD

NADH2CO2

CO2

CO2

complexe enzymatique

enzyme decondensation

aconitase

isocitrico-déshydrogénase

NADP

NADPH2

oxalosuccino-décarboxylase

acide -cétoglutariqueα

α-cétoglutarique-déshydrogénase

CoASH

NAD

NADH2

acide

oxalosuccinique

acide isocitrique

acide citrique

acétyl-coenzyme A

pyruvate

succinyl-CoA-synthétase

acide succinique

succino-déshydrogénase

FADH2

acide fumarique

acide malique

fumaraseH O2

acideoxaloacétique

NAD

NADH2

malate-déshydrogénase

CYCLE DE KREBS

CH2

CH2

COOH

O S CoA

succinyl-coenzyme A

GTP

CoASH

FAD

GDP

P

H C COOH

C

COOH

CH2

COOH

HHO

G i l l e s

B o u

r b o n n a i s

Ces étapes de la respiration se déroulent dans les mitochondries,de même que les étapes illustrées à la page suivante.

I-91



Chapitre 1

G i l l e s

B o u

r b

o n n a i s

I-92



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