LES MOLECULES DU VIVANTMarie-Noëlle Dieudonné

Biologie fondamentale UE 2.1 - 2011

CHI Poissy 78

I – Généralités – Définitions

II – L’eau1/ L’eau de l’organisme2/ Le bilan hydrique

et sa régulation

III – O2, CO2 et CO1/ Le dioxygène2/ Le dioxyde de carbone3/ Le monoxyde de carbone4/ La respiration cellulaire5/ Le stress oxydatif

IV – L’azote

PLAN

V – Les macroéléments minéraux1/ Sodium, potassium, chlore 2/ Calcium et Phosphore3/ Magnésium4/ Soufre

VI- Les micronutriments 1/Oligoléléments 2/ Vitamines

VI – Les molécules organiques1/ Le carbone2/ Les glucides3/ Les lipides4/ Les protéines

IV – L’AZOTE= N

L’air contient 79% de diazote N2

L’ammoniac : NH3 : gaz incolore très odorant et irritant

Entre dans la composition de nombreuses molécules organiques :

- acides aminés - acides nucléiques (ADN et ARN) - certains lipides (phospholipides)

L’ammoniaque NH4OH ou NH4+ (forme aqueuse)

toxique, éliminé sous forme d’urée (déchet azoté éliminé dans les urines)

Pathologie : Déficit héréditaire pour une enzyme du cycle de l’urée ou atteinte

hépatique hyperammoniémie coma

N2 Nitrates (NO3-) Nitrites (NO2-)

micro-organismes micro-organismes

plantes, sol, eau

Alimentation

Pathologie 1 : Dosage dans les urines de la conversion des nitrates

alimentaires en nitrites par la flore urinaire infections des voies urinaires

Pathologie 2 : Intoxication aux nitrates, nitrites (Methémoglobine)

V – MACRO-ELEMENTS MINERAUX1/ Sodium, potassium, chlore (‹4%)

- Le sodium provient des aliments et du sel de table (NaCl), besoins : 4 à 6 gr/j

- Les viandes, les poissons et les fruits de mer sont les aliments les plus riches en

sel

- Les fruits et légumes frais contiennent très peu de sodium (sauf blettes, céleri

branche, céleri rave, épinards)

a. Sodium

En solution, le sodium est ionisé = Na+

Cation extra-cellulaire:

Dans le plasma : 135-145 mmol/L (natrémie)++

Dans la cellule : 14 mmol/L

Rôle majeur dans la régulation du bilan hydrique:

Les mouvements d'eau suivent les mouvements du sodium!

Une alimentation normale apporte de 2 à 4 gr/jour de

potassium

Les aliments riches en potassium sont les laitages, les

végétaux, les fruits (bananes) et les viandes

b. Potassium

En solution le potassium est ionisé : K+

Cation intra-cellulaire

Dans le plasma : 3,5-4,5mmol/L (kaliémie)

Dans la cellule : 140 mmol/L ++ dans érythrocytes

Rôle capital dans la contraction musculaire et cardiaque:

hyperkaliémie sévère => troubles du rythme => arrêt cardiaque

En solution le chlore est ionisé : Cl-

Anion extra-cellulaire:

Dans le plasma : 95 – 105 mmol/L

Dans la cellule : 14 mmol/L

Intervient dans la régulation du bilan hydrique

c. Chlore

Tous ces ions participent activement à l'homéostasie =

maintien d'un état stable, compatible avec la vie.

Leur absorption et leur élimination est en permanence

régulée afin de maintenir leurs concentrations constantes

Ces régulations s'effectuent dans toutes les cellules

(REINS et INTESTIN++)

d. Homéostasie

Dans toutes les cellules

L'équilibre des ions Na+ K+ Cl- entre milieu intra- et

extra-cellulaire est assuré essentiellement par :

- Des pompes Na+/K+ ATPase, font entrer du K+ dans la cellule

et l'échangent contre un Na+ (passage actif)

- Des canaux ioniques, qui font sortir du K+ >>> entrée Na+

(passage passif)

Dans le rein= filtre

Le rein filtre en permanence le sang circulant à travers ses

glomérules

Il produit une urine qui contient les déchets de l'organisme (urée,

acide...)

Na+, K+ et Cl- passent librement à travers la membrane du glomérule

et se retrouvent dans l'urine primitive car ils sont de plus petite

taille que les déchets

=> Ces ions doivent être réabsorbés!!!!

Dans le rein= filtre

Réabsorption

Dans l’organisme : Ca2+, calcémie: 2 mmol/L

Rôles :

- Constituant de l’os (avec le phosphore) +++

- Coagulation du sang

- Contraction musculaire

- Conduction du signal nerveux dans la synapse

a. Calcium: Ca

2/ Calcium et Phosphore

Origine : Lait, fromage++

Dans l’organisme : phosphate PO43-

Rôles :

- Constituant des phospholipides, ADN, ATP…

- Constituant de l’os (avec le calcium)

- Substance tampon du sang (pH sanguin artériel:7,35 – 7,45)

- Phosphorylation des protéines

b. Phosphore: P

Origine : lait, fromage, viande, poisson, céréales

Déficit en vitamine D

déminéralisation de l’os

rachitisme chez l’enfant, ostéomalacie chez adulte

c.Régulation du métabolisme phospho-calcique

- Par la parathormone: PTH (glandes parathyroïdiennes)

- Par la vitamine D

Dans l’organisme : Mg2+

Rôles :

- Conduction neuro-musculaire

- Cofacteur de certaines enzymes (ex: ADN polymérase)

3/ Magnésium: Mg

Origine : chocolat++, céréales, légumes verts et secs

Origine : fruits de mer, choux, viande, œufs…

Rôles :

- Constituant de certains acides aminés : Cystéine

- Constituant de certaines vitamines (thiamine ou vit. B1 et biotine B8)

- Constituant du tissu conjonctif (cartilage, tendons et os)

4/ Soufre: S

Définition : Minéraux nécessaires à l’organisme en petite quantité (< 0,1% de la matière sèche)

Rôles :

Cofacteurs de certaines enzymes

Exemples : Fer Fe, Iode I, Manganèse Mn, Cuivre Cu, Zinc Zn, Cobalt Co, sélénium Se, Chrome Cr, Fluor F

1/ OligoélémentsVI – MICRONUTRIMENTS

2/ Vitamines Définition :

Biomolécules indispensables, pas synthétisée ou peu par l’organisme

Vitamines hydrosolubles : B1, B2, B3, B5, B6, B9, B12, C Vitamines liposolubles : A, D, E, K

Certaines vitamines sont les précurseurs des coenzymes ( rôle dans les

réactions enzymatiques ++++)

VII – LES MOLECULES ORGANIQUES

Toutes les molécules biologiques sont constituées d’unsquelette carboné (liaison C-C stable)

Molécules organiques :

- Glucides

- Lipides

- Acides nucléiques (ADN et ARN)

- Acides aminés protéines

Carbone4 liaisons

1/ Le carbone

a. Caractéristiques

- Hydrates de carbone: Cn (H2O)n

- Molécules biologiques très hydrophiles (solubles)

- Constitués d’OSES (« unité de base ») et de polymères d’oses

2/ Les glucides

b. Importance biologique des glucides

• Éléments de soutien (cellulose...)

• Constituants de molécules indisp. (ac. nucléiques...)

• Rôle énergétique et de réserve (glycogène, amidon)

Rôle +++ du glucose chez l’homme :

- principal carburant des tissus (cerveau+++, GR+)

- tous les glucides alimentaires sont transformés en

glucose

- tous les glucides sont synthétisés à partir du glucose

CHO

H-C-OH

CH2OH

H-C-OH

H-C-OH

HO-C-H

CHO

CH2OH

H-C-OH

CHO

H-C-OH

CH2OH

H-C-OH

HO-C-H

HO-C-H

CH2OH

CH2OH

H-C-OH

H-C-OH

HO-C-H

C O

c.Représentation des oses selon FISCHER

D- Glucose D- Galactose D- Fructose D- Ribose

HEXOSES C6 PENTOSE C5

H-C-OH

H-C-OH

d. Représentation cyclique et rôle des oses

D-glucose Sucre réducteur du sang (5 à 6 mM)Source énergétique de la cellulePrécurseur autres oses, AG

Constituant du sucre du lait, glycoprotéines et glycolipides

OH

CH2OHO

OHHO

D-galactose

OH

CH2OHO

OHHO

HOHOH2C O

OH

OH

CH2OHD-fructose

Constituant du saccharoseAliment des spermatozoïdes

OH

OH

Constituant des nucléotides (ADN)

D-riboseHOH2C O

OH

OH

OH

OH

CH2OHO

OHHO

HOHOH2C

O

OH

O

CH2OH

Glucose + fructoseSucre de la bettrave à sucre(sucre de table)

Glucose + galactoseSucre du lait

Saccharose

OH

CH2OHO

OHOH

OH

CH2OHO

OHHO

O lactose

e. Exemples de diholosides: 2 oses

Amidon : (D-glucose)n80% amylopectine et 20% amylose

Réserve des végétaux

Hydrolysable par les amylases salivaires et pancréatiques

f. Exemples de polyholosides: (oses)n

Glycogène: (D-glucose)n

- Réserve des animaux (foie et muscle)

-Glycogène de l’alimentation : hydrolysable au cours de la digestion par les

amylases salivaires et pancréatiques glucose absorbé par le tube digestif

-Glycogène endogène :

En post-prandial, mise en réserve du glucose sous forme de glycogène dans les

muscles et le foie.

A distance des repas : mobilisation des réserves de glycogène : hydrolyse par des

enzymes de la glycogénolyse glucose

RESERVE: glycogène

RESERVE: glycogène

ALIMENTATION

GLYCEMIE

4 à 6 mM

Métabolisme glucidique

ENERGIE

ProtéinesLipides

 

a.Définition:

Esters d’ACIDES GRAS avec des ALCOOLS     

3/ Les lipides

Alcool :

Glycérol

Cholestérol (stérol) Glycérides

Phospholipides

Stérides

Lipides :

Lipidessimples

Lipidescomplexes

 - Structural : les lipides sont les constituants des membranes plasmiques. 

b. Roles biologiques

   -  Énergétique : l’hydrolyse d’1g de lipides libère environ 9 kcal (plus qu’1g de glucides) 

- Isolant électrique : au cours de la propagation des ondes de dépolarisation le long des nerfs myélinisés 

 - fonctionnel : précurseurs de molécules biologiquement

actives (hormones stéroïdes)

    Stockage dans le tissu adipeux

sous forme de triglycérides

c. Propriétés

- solubles dans les solvants organiques (éther, chloroforme...)       

- solubilité dans l’eau : faible (phospholipides) à nulle (triglycérides)

micelle

lipoprotéines

LES ACIDES GRAS

Les acides gras sont constitués : - d’une chaîne hydrocarbonée de 4 à 36 C, saturée (liaisons simples) ou insaturée (1 ou plusieurs doubles liaisons) qui confère un caractère hydrophobe

- d’une fonction acide carboxylique (COOH) qui confère à la molécule un caractère acide et polaire

Tête polairehydrophileChaîne hydrocarbonée

hydrophobe

LES ACIDES GRAS

Exemples d’acides gras saturés :

- Acide butyrique : 4C- Acide palmitique : 16C viandes, crème fraiche, beurre- Acide stéarique : 18C

Exemples d’acides gras insaturés :

- Acide oléique* : 18C:1∆ olive, amande, arachide

- Acide linoléique* : 18C:2∆ = ω6- Acide arachidonique : 20C:4∆ poisson gras, huile de noix

- Acide linolénique* : 18:3∆ = ω3

*Acides gras indispensables (pas de synthèse endogène donc apport par l’alimentation)

= Alcool + Acides gras

Si Alcool =

Lipides = Glycérides

Si Alcool = Stérol

Lipides = Stérides

LES LIPIDES SIMPLES

Glycérol

Cholestérol

Glycérides  

Exemples de structureCH2-O-CO-C17H35

| CH-O-CO-C17H35  

|

CH2-O-CO-C17H35

 

Ex: Les triglycérides (3 acides gras), forme de réserve dans le tissu adipeux

glyc

érol

AG

AG AG

Ac Gras +

Ester de cholestérol

Stérides

Ester de cholestérol

Estérification par un acide gras de la fonction alcool du cholestérol

 

R-CO

Les phospholipides: glycérol + P+ X

LES LIPIDES COMPLEXES

Structure commune = Acide phosphatidique

R 1 — CO — O — CH 2 | R 2 — CO — O — CH O | || CH 2 — O — P — O X |

O¯

Base azotée X

Inositol : polyalcool

—

-Constituant des membranes plasmiques +++

- Propriétés tensioactives (surfactant pulmonaire +++ chez nouveau-né)

Chylomicrons

ALIMENTATION

IntestinAG

RESERVE

Absorption

Tissu adipeux

AG

Foie

AG

MuscleMuscle

Métabolisme lipidique

Molécules organiques associant une fonction acide et une fonction amine

>300 AA, à l’état libre ou combinés les uns aux autres par liaison

covalente spécifique (la liaison peptidique) ⇒ les protéines

(Grec « protos » premier, de première importance)

H

R

Ca COO-H3N

+

4/ Les protéines: (acides aminés)nAaa. Définition des acides aminés:

- Structural : monomères formant la structure primaire des protéines

grâce à la LIAISON PEPTIDIQUE

b.Rôle des acides aminés

- Métabolique :

- par leur fonction amine, les AA sont les éléments de base du

métabolisme azoté (transport et élimination)

- précurseurs de molécules d’intérêt biologique majeur (hormones,

neurotransmetteurs, acides nucléiques …)

OH

CH

CH2

COO-H3N+

Tyrosine

OH

CH2

CH2

H3N+

Dopamine (neuromédiateur)

OH

-Energétique : ce sont des substrats énergétiques (comme le glucose ou

les acides gras) mais couvrent < 15% de la production énergétique totale

CH2 CH2 COO-H3N

+ CH2

- Fonctionnel : certains, à l’état libre, ont une activité biologique propre

ex : acide γ-aminobutyrique G.A.B.A

H

Ca

CH3

Ca

Glycine GlyG

CH

Ca

CH3 CH3

CH2

CH

Ca

CH3 CH3

CH

CH3

Ca

CH3 CH2

ValineValV

LeucineLeuL

IsoleucineIleI

AlanineAlaA

ProlineProP

CH

COO-

+H2N

Ca

CH2

PhénylalaninePheF

HN

Ca

CH2

TryptophaneTrpW

(CH2)2

S

Ca

CH3

MéthionineMetM

AA à chaînes latérales apolaires (9)

c. Les 20 acides aminés constitutifs des protéines

AA à chaînes latérales polaires non ionisables (6)

SérineSerS

ThréonineThrT

CystéineCysC

TyrosineTyrY

AsparagineAsnN

GlutamineGlnQ

OH

Ca

CH2

C

CH2

CH3

OH

CH2

Ca

OH

CH

Ca

SH

CH2

Ca

O

CH2

C

Ca

NH2

CH2

Ca

NH2O

NH

AA à chaînes latérales polaires ionisables

AA à chaînes latérales chargées positivement au pH physiologique =

AA à chaîne latérale basique (3)

LysineLysK

ArginineArgR

HistidineHisH

NH

CH2

Ca

HN+

(CH2)4

Ca

+NH3

(CH2)3

Ca

C

+NH2 NH2

AA à chaînes latérales chargées négativement au pH physiologique =

AA à chaîne latérale acide (2)

aspartateAspD

glutamateGluE

CH2

COO-

Ca

CH2

CH2

COO-

Ca

AA indispensables : synthèse impossible, source dans alimentation

AA non indispensables : synthèse endogène

Indispensables dans l’alimentation

Non indispensables dans l’alimentation

Arginine*Histidine* Leucine

Thréonine Lysine

TryptophanePhénylalanine

ValineMéthionineIsoleucine

Acide aspartiqueAsparagine

Acide glutamiqueGlutamine

AlanineCystéineTyrosineGlycineProlineSérine

* AA «semi-indispensables chez l’enfant» : peuvent être synthétisés chez l’adulte mais sont synthétisés à un taux insuffisant chez l’enfant (en particulier pour sa croissance)

d. Besoins en acides aminés chez l’homme

f. Diversité de fonctions des protéines

- Structure (Collagène, kératine …)

- Contraction (Myosine, Actine)

- Transport (Albumine, Hémoglobine …)

- Immunité (Immunoglobulines, cytokines …)

- Enzyme (quasiment toutes !)

- Hormones et neuromédiateurs

- Transduction du signal (Récepteurs, Protéines G …)

- Régulation de l’expression des gènes (FT)

1 chaîne = 1 monomère

4 chaînes = 4 monomèress

Structures spatiales des protéines

Alimentation

80g/j

Foie Muscle Reins

Métabolisme azoté

Synthèse endogène

PROTEINES10kg

ACIDES AMINES70g/j

Dégradation

80g/j

(Urée, NH4)

Synthèse produits azotés

ACIDES AMINESSynthétisés

ACIDES GRASIndispensables

ACIDES AMINES

Indispensables

ACIDES GRAS Synthétisés

GLUCOSE

Viandes, œufs, poissons, lait

Fruits, légumes,

Pain, pates, céréales

Huiles, beurre,Poisson, fromage

Alimentation équilibrée

Les enzymes Les enzymes sont des protéines qui catalysent (accélèrent) un grand nombre

de réactions

Il existe plus de 2000 enzymes

Elles sont spécifiques d'une réaction (6 grandes classes):

oxydase et réductase

transférases

hydrolases

lyases

isomérases

ligases ou synthétases

Elles sont spécifiques d'un substrat :ex : Lipase coupe des lipides

Le site actif de l'enzyme est en effet reconnu seulement par le substrat (clef/serrure)

• Elle favorise la réaction dans un sens donné

Enzyme + Substrat ES Enzyme + Produit→ →

• Elle agit sur la réaction sans être transformée dans des conditions de température et de pH précises

• La vitesse de réaction augmente quand on augmente la quantité de substrat jusqu'à une valeur maximale qui correspond à la saturation de l'enzyme

Comme toute protéine, les enzymes sont codées par des gènes (portion d’ADN)

Une mutation dans un gène codant une enzyme maladies métaboliques héréditaires

Ex. : phénylcétonurie et phénylalanine hydroxylase

(Phe tyr)

Dépistage à la naissance: test de Guthrie

La plupart des enzymes sont constituées de deux éléments:

- une apoenzyme, de nature proteique impliquée dans la

reconnaissance et la liaison du substrat

- un coenzyme, molécule organique de petite taille de nature

non protéique ( Ex. : Mg2+, Fe2+, NAD+, Phosphate de pyridoxal)

Les coenzymes

La combinaison du coenzyme et de l'apoenzyme forme l'enzyme complète

Il existe une 20 de coenzymes, pour plus de

2000 enzymes

5/ Les acides nucléiques (traité dans l’UE 2.2)

Molécules du vivant

Applications médicales

Glycémie

Enzymes hépatiques

Fonction rénale

Ionogramme

1-Analyses biologiques

2- Le mercure: atome dangereux !!!

Seul métal liquide à température et pression normales mais il peut

s’évaporer (gaz).

Présente un coefficient de dilatation thermique très élevé

utilisé pour les thermomètre des le XVII mais STOP en 1999 dans CH

Neurotoxique et néphrotoxique: HYDRARGISME