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USMBAFSDMDÉPARTEMENT DE BIOLOGIE
COURS DE BIOPHYSIQUESVI SEMESTRE 3, 2014-2015
Pr . Adnane. REMMAL
Pr. Bouchra EL OMARI
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Sommaire
Première Partie: Physique de l’eau et des solutions en milieu biologique,
phénomènes de surface ...…..………………………………………………………2
Chapitre I. Les solutions bio-électrolytiques……….....……………………….....2
Chapitre II. Etude des interfaces solides-liquides ………………………………3
Chapitre III. Etude des interfaces liquides-gaz………………........…………...24
Chapitre IV : Forces impliquées dans les interactions des molécules
biologiques…………………………………………………………..…………….….33
Deuxième Partie : Interactions des ondes et des particules avec la matière
biologique………………………………………………………………….………….44
Première Partie: Physique de l’eau
et des solutions en milieu biologique,
Phénomènes de surfaces.
Chapitre I : Les solutions bio-
électrolytiques.
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Les solutions bio-électrolytiques
1-Solution :
Une solution est un mélange de deux matières ou plus, elle est constituée de :
- Solvant : la matière qui existe en plus grande quantité.- Soluté : la matière (les matières) qui existe en faible quantité.
Concentration massique : masse de soluté par litre de solution.
Concentration molaire (molarité) : nombre de moles de soluté par litre de solution.
Concentration molale (molalité) : nombre de mole de soluté dissoute dans un kilogramme de solvant
(mol.kg-1).
Concentration pondérale : masse de soluté dissoute dans un kilogramme de solvant (g.Kg-1).
2-Solution aqueuse :Une solution dans laquelle l’eau est le solvant.Les molécules d’eau entourent les molécules du soluté.
3-Solution électrolytique :Ce sont des solutions conductrices du courant électrique. L’étude de ces solutions a montré la présence des ions libres
et indépendants.En appliquant un champ électrique entre deux électrodes d’une cellule contenant une
solution électrolytique, les cations (ions à charge positive) se déplacent vers la
cathode (électrode à charge négative) et les anions (ions à charge négative ) se
déplacent vers l’anode (électrode à charge positive).
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Les solutions bio-électrolytiques:
Électrolytes forts : des matières qui se dissocient complètement dans l’eau donnant des
solutions de bonne conductivité électrique (comme les bases et les acides forts).
Électrolytes faibles : des matières qui se dissocient partiellement dans l’eau donnant des
solutions de faible conductivité électrique (comme les bases et les acides faibles).
Mobilité ionique:
EE étant le champ électrique
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Conductivité:
La viscosité permet de faire la distinction entre un fluide parfait et un
fluide réel. Dans le cas des fluides parfaits, on considère que l'écoulement se déroule sans
perte d'énergie. Dans un fluide réel, il existe des forces dites de viscosité. Elles sont dues à des frottements qui existent entre les couches de vitesses différentes sur les parois.
La viscisité est une caractéristique de la matière, quel qu’en soit l’état physique :
gazeux, liquide ou à la limite solide.
Elle intervient fréquemment dans les équations de la mécanique des fluides.
Elle traduit, en bref, la résistance d’un fluide à l’écoulement car elle ralentit le
mouvement du liquide au voisinage des parois.
Viscosité
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Définition de la viscosité • L'eau, l'huile, le miel coulent différemment :
l'eau coule vite, mais avec des tourbillons ;
le miel coule lentement, mais de façon bien régulière.
• La viscosité peut être définie comme la résistance à l'écoulement
uniforme et sans turbulence se produisant dans la masse d'une matière.
• La viscosité se manifeste chaque fois que les couches voisines d’un
même fluide sont en mouvement relatif, c’est à dire lorsqu’il s’établit un
gradient de vitesse.
On peut donc dire que la viscosité est la mesure du frottement fluide.
Viscosité
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Effet de la température sur la viscosité :
La viscosité du sang :
La viscosité du sang varie en fonction de la concentration en
globules rouges (hématocrite).
En absence de cellules sanguines, le sérum (obtenu après coagulation) ou le plasma (obtenu par centrifugation) ont une
viscosité proche de celle de l'eau à 20°C :
-viscosité du sérum : 1,1 - 1,3 10-³ Pa s
- Viscosité du plasma : 1,4 10-³ Pa s
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La viscosité du sang:Pour le sang total, il existe une relation entre la viscosité et l'hématocrite:
La viscosité du sang:
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La viscosité du sang:
Osmolarité:
L’osmolarité (w) est le nombre de moles de particules (molécules et ions) dissoutes dans un litre de solvant, l’osmolarité (w) est exprimée en osmol/ L.
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SOLUBILITÉ DES ÉLECTROLYTES
conc. molaire
M/lˉ¹
distance inter-
ionique nm
0.001 9.40
0.010 4.40
0.100 2.00
0.150 1.90
1.000 0.94
Tableau des distances inter-ioniques/eau
Grâce à son dipôle, très fort, l’eau dissout « casse » les électrolytes,
selon le schéma suivant:
H2O H2O
SOLUBILITÉ DES CORPS POLAIRES:
Ce sont les interfaces O-H qui permettent la solubilisation
des composés comportant des groupements polaires, tels
que: NH, COOH, OH, etc… Solubilisation = formation de ponts hydrogène entre les atomes de H
et/ou O de la molécule d’eau et les atomes électronégatifs des corps polaires en question, comme N, F, O. Tous les composés polaires, donc hydrophiles sont solubles dans l’eau grâce à
l’échange de charges électriques partielles présentes au niveau des ponts
hydrogène.
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SOLUBILITÈ DES CORPS APOLAIRES
Les corps apolaires sont hydrophobes, donc insolubles dans l’eau.
Les corps gras de la matière vivante s’organisent pour co-exister avec
l’eau, donc être présents dans les milieux aqueux de la cellule vivante.
Les formations micellaires, les monolayers, les bilayers sont des
phénomènes structuraux qui expliquent l’interaction entre eau-corps
apolaires.
Ce sont les interactions dites hydrophobes
SOLUBILITÈ DES CORPS APOLAIRES
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État
Naturel
Poids
moléc.
Cte
diéléct.
∆Hvap Temp. de
Fusion
Temp.
Ebul
Masse
Spécif.
Cte
cryosco
pique
Chaleur
Spécif.
Liquide 18
daltons
80 D 540
cal/g-¹
0º C 100ºC 1g/cm-¹ -1.86º C 1cal/ g-¹ /
°C
Propriétés physiques de l’eau:
•Diffusion et osmose: c’est la pression supplémentaire nécessaire exercée sur une solution,
pour empêcher le passage du solvant à travers la membrane (semi-perméable).
Diffusion et osmose assurent le potentiel hydrique de la cellule (potentiel osmotique + pression
de turgescence).
•L’évaporation: c’est le passage des molécules d’eau liquide dans l’air, selon un processus
physique normal.
•Cohésion : existence de forces entre des molécules semblables (ponts hydrogène).
•Adhérence : existence de forces entre molécules différentes
C’est un agent de refroidissement par évaporation: la transpiration (évaporation pour
éliminer l’excès de chaleur corporelle)
Possède une forte chaleur d’ébullition: les organismes vivants ne courent pas le risque d’être
“évaporés”, donc de perdre leur masse d’eau (ébullition excessive).
Possède une forte conductivité thermique: la propagation rapide de la quantité d’énergie
calorifique s’étend à toute la masse d’eau de la matière vivante.
Possède une chaleur spécifique élevée: c’est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter
d’un degré 1g d’eau. Les êtres vivants gagnent et perdent leur chaleur corporelle plus lentement: homéothermie des
réactions biologiques intra-cellulaires.
Possède un point de congélation élevé et une densité plus faible à l’état solide
qu’à l’état liquide:
De -4º à 0º C, l’eau se dilate à nouveau, devenant moins dense à mesure que ses molécules commencent à former le réseau cristallin de la glace.
La glace est moins dense que l’eau parce que ses molécules sont moins tassées; un cristal de glace est, plus gros que le volume d’eau qu’il remplace.
Propriétés physiques de l’eau:
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Solvabilité de l’EAU:
La molécule d’eau étant un dipôle permanent, l’association de ses
dipôles avec d’autres entités électriques entraîne le phénomène
d’hydratation, qui conduit à la formation de solution. 3 types de
forces sont à considérer:
forces entre les molécules d’eau elles-mêmes: eau-eau
forces entre les molécules d’eau et le soluté: eau-soluté
forces entre les molécules de soluté elles-mêmes: soluté-soluté
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CHAP IIETUDE DES INTERFACES
SOLIDES-LIQUIDES
L’INTERFACE SOLIDE-LIQUIDE
L’interface solide – liquide est intimement liée à ce que l’on appelle le pouvoir
mouillant. Si l’on examine comment se comporte une goutte de liquide déposée
sur une surface parfaitement plane et propre on peut observer au moins trois cas
de figures:
1- La goutte de liquide peut s’étendre sur la surface du solide jusqu’à former une
monocouche. C’est ce qui arrive lorsqu’on dépose une goutte d’eau sur un verre très propre. Le
pouvoir mouillant est maximum.
2- la goutte de mercure qui a l’apparence d’une sphère presque parfaite lorsqu’elle est
déposée sur une surface. Le même phénomène s’observe après la pluie : les gouttes d’eau
perlent sur le toit d’une voiture fraîchement cirée. Le liquide, dans ces cas est non mouillant.
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L’INTERFACE SOLIDE-LIQUIDE
3- La goutte d’eau sur une surface quelconque peut prendre la forme d’un ménisque plan
convexe. Définissons l’angle de contact du liquide avec la surface plane par sa valeur θe.
Forces intermoléculaires dans un liquide:
Considérons une molécule à intérieur d’un liquide, entourée de tous les cotés par d’autres molécules. La
résultante des forces intermoléculaires subies par la molécule est nulle ΣZm=0 um.
Si on considère une molécule superficielle B, dans ce cas la résultante des forces n’est pas nulle ΣZm ≠ 0 um
et perpendiculaire à la surface. Il en est de même pour toutes les molécules superficielles qui forment ainsi
une sorte de pellicule tendue qui comprime l’interieur du liquide.
A
B
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TENSION SUPERFICIELLE
La tension superficielle est une propriété des liquides qui permet
de maintenir en équilibre leur surface libre.
Parmi les solutions courantes, l’eau a une tension superficielle
importante
Tension superficielle
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TENSION SUPERFICIELLE
Certains insectes tels que les gerris se
déplacent à grande vitesse (1 m/s) à la surface
de l’eau comme s’ils glissaient sur un film
souple.
TENSION SUPERFICIELLE
Bien que l’acier ait une
masse volumique plus
de 7 fois supérieure à
celle de l’eau, on peut
poser à la surface de
l’eau une aiguille à
coudre ou une lame de
rasoir sans qu’elle ne
coule au fond du
récipient.
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APPLICATION BIOLOGIQUE: LA
RESPIRATION CHEZ LES ETRES VIVANTS
La surface des poumons est augmentée par la présence des alvéoles.
La dilatation des poumons requiert un travail considérable car la tension superficielle qui colle les membranes alvéolaires est élevée.
Pour faciliter la ventilation, des surfactants réduisent la tension superficielle à la
surface interne des alvéoles.
La présence de ces surfactants réduit le travail nécessaire à la dilatation des poumons.
Lorsque l'alvéole se dilate, la concentration des surfactants par unité de surface diminue, la tension superficielle augmente. La résistance à la dilatation augmente et protège les alvéoles contre l'éclatement.
APPLICATION BIOLOGIQUE: LA
RESPIRATION CHEZ LES ETRES VIVANTS
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A l’intérieur de chaque alvéole,Les pneumocytes de type II sécrètent un liquide alvéolaire: le surfactant qui humidifie
la surface des cellule en contact avec l’air. Ce liquide rend l’expansion des alvéoles possible sans difficulté et
empêchant les alvéoles de s’affaisser
Les alvéoles sont constituées de différents types cellulaires:
Les pneumocytes I : échanges gazeuxLes pneumocytes II : sécrétion de surfactant
Les macrophages : défense immunitaire
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ANGLE DE CONTACT ET CAPILLARITÉ Dans un tube de verre étroit (tube à essai),
l'interface air-liquide est bombée vers le
bas, concave : la surface forme un
ménisque concave ; de plus, l'eau s’élève
le long des parois.
L'eau monte aussi le long des fibres
d’une feuille de papier trempée dans
un verre d’eau. Il peut donc y avoir
ascension de l’eau, malgré les forces
de gravité.
Exemple d’ascension par capillarité
Ascension capillaire
Un tube de verre de faible diamètre est plongé dans un liquide
mouillant, de l’eau par exemple. dans le tube, le niveau du liquide
est supérieur au niveau de la surface libre du récipient.
le ménisque concave fait un angle θ avec la surface du tube.
l’ascension capillaire est due aux forces superficielles appliquées
en tout point du contour du ménisque. la résultante F de ces forces
équilibre le poids P du liquide soulevé.
l’élévation du liquide dans le tube compense la différence de
pression entre les deux côtés de la paroi. (loi de laplace).
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Cette fois, les forces de cohésion sont supérieures aux
forces d’adhésion, le liquide ne mouille pas les parois du tube. le niveau du liquide s’abaisse dans le tube au dessous
du niveau de la surface libre du récipient. le ménisque est convexe et forme l’angle θ> 90° avec la paroi du tube.
les forces de tension superficielle tirent le liquide vers le bas. la résultante F de ces tensions équilibre maintenant le
poids p du liquide manquant.
Ascension capillaire
ASCENSION CAPILLAIRE
Quelques valeur sde l’angle de contact
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APPLICATION BIOLOGIQUE: Ascension de l’eau dans
les vaisseaux du xylème de la plante par cappilarité
Une pompe à eau très performante
Dans le cadre de la circulation de la sève, un chêne adulte remonte plus de 200
litres d'eau par jour et ceci à une hauteur de 30 à 40m.
Autre capacité étonnante de la pompe : sa vitesse de transport, avec des pointes jusqu'à 7 mètres à l'heure.
COMMENT L’EAU PEUT-ELLE REMONTER
DANS UN TUBE TRÈS FIN ?
Si on plonge un tube en verre extrêmement fin, à la surface de l’eau on
constate le résultat suivant:L’eau remonte dans le tube en verre, à un niveau
supérieur de la surface du liquide dans lequel il est
plongé.Deux phénomènes s’opposent dans le tube, jusqu’à
un équilibre qui représente le niveau atteint parl’eau dans le tube:
-Les molécules du verre attirent les molécules d’eau.
un ménisque est créé car les molécules d’eau à la surface, proches des parois du tube, sont attirées
par les molécules du verre au-dessus d’elles.-La colonne d’eau a une masse liée à la quantité d’eau présente dans le tube.
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Le diamètre du tube influe considérablement
sur la hauteur maximale atteinte par l’eau.
Plus le tube est fin, plus le liquide
monte.
Ce système est-il suffisant ?
•Pour un arbre de 50 mètres de haut, le tube utilisé devrait avoir un diamètre de
10 millièmes de millimètre. Les canaux de la majorité des résineux sont plus de
300 fois plus gros.
•La seule ascension capillaire ne permettrait de faire monter la sève que d’un
seul mètre environ.
Résultat: La capillarité n’est donc pas le seul système permettant de faire monter
la sève.
Ascension d’eau dans les vaisseaux du xylème de la plante par cappilarité
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Les plantes utilisent en fait un système ingénieux de pompe
permanent.
Le xylème est constituée à 90% d’eau qui s’évapore par les feuilles des
arbres:
Cette évaporation “transpiration” tire l’ensemble de la colonne de sève
vers le haut dans un cycle permanent, un peu comme une seringue.
C’est un système bien plus perfectionné que ce nous pourrions
construire aujourd’hui. Les meilleures pompes peinent à monter l’eau
sur une hauteur de 10 mètres à cause de la pression atmosphérique,
alors les arbres réalisent cet exploit quotidiennement !
Ascension d’eau chez les plantes
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Les molécules de surface se comportent comme une membrane tendue sur les autres molécules, comme pour les retenir, membrane qui comprime le liquide dans certains cas. D’où le terme de tension superficielle. L’épaisseur de cette couche superficielle de molécules varie entre 1 et 100nm
Dans le cas de l'eau et l'air, cette séparation "rigide" est due aux forces inter-moléculaires qui s'exercent entre les molécules d'eau. De plus, l'absence de ces forces dans l'air, principalement constitué de vide, accentue ce phénomène.
Tension superficielle (interface liquide-gaz)
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A la surface de séparation entre le liquide et le gaz qui le surmonte, les forces de cohésion ne présentent plus cette symétrie moyenne : chaque molécule subit de la part des molécules placées à l’intérieur du liquide, des forces d’attraction dont la résultante, n’est compensée par aucune autre force.
Tension superficielle (interface liquide-gaz)
Ceci explique par ailleurs que tout liquide tend spontanément à diminuer sa surface. Ainsi se forment les gouttes et les bulles. La forme sphérique présente le plus faible rapport surface/volume.
Tension superficielle (interface liquide-gaz)
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Ordres de grandeur (dans le cas d'interface liquide-air)
Tension superficielle (interface liquide-gaz)
Le rôle des agents tensioactifs est de diminuer la tension superficielle:
Tension superficielleet
agents tensioactifs
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Dissolution d’un gaz
Il existe une relation entre la pression et le volume d'un gaz. À une température constante et pour un même nombre de molécules, il a été observé que la pression d'un gaz augmente lorsque son volume diminue, et vice versa. Cette relation est nommée loi de Boyle-Mariotte.
Relation pression-volume
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Lors d’une inspiration
Application biologique: Respiration
Lors d’une expiration
Les mouvements respiratoires permettent de faire varier le volume dans les poumons. Plus le volume y est
grand, plus la pression dans les poumons sera petite. Plus le volume y sera petit, plus la pression dans les poumons sera grande.
Application biologique: Respiration
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La vitesse de transfert d’un gaz à travers une couche d’un tissu est proportionnelle à la surface et à la différence de concentration du gaz de part et d’autre du tissu et inversement proportionnel à l’épaisseur.
Où D est la constante de diffusion.
Exemple :
Les poumons ont une très grande surface de très faible épaisseur environ 5μm
Loi de Fick
Loi de Fick: application biologique: la respiration
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Loi de Fick: application biologique: la respiration
En 1840, le physicien français Jean Louis Marie Poiseuille a appliqué les principes de de la mécanique afin de décrire l’écoulement du sang. Il a démontré que la résistance hydraulique peut être calculée par l’équation:
où L est la longueur de la portion de tuyau, r est son rayon et est la viscosité du liquide: une mesure de sa résistance à l’écoulement. En combinant cette équation et l’équation DP = RD , on obtient la loi de Poiseuille :
D représente le débit et DP la différence de pression de part et d’autre de la portion du tuyau.
Loi de Poiseuille
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Application biologique: résistance au flux du sang
33
Application biologique: résistance au flux du sang
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Chap IV.Forces impliquées dans les
interactions des molécules biologiques
Liaison intermoléculaires
• Liaisons faibles par rapport aux liaisons covalentes.
• Sans ces forces, les molécules ne resteraient pas fixées les unes aux autres
• Ces liaisons ont un double rôle organisateur:
- organisation spatiale des structures géométriques
- organisation temporelle des structures dynamiques.
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Forces intermoléculairesForces répulsives
Forces intermoléculaires
• Forces attractives:
Forces de van der walls
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Forces intermoléculaires
Lorsque le bilan des forces est attractif, les molécules restent liées les unes aux autres.
Affinité
• L'affinité est la force d’interaction non covalente entre des biomolécules, protéines ou acides nucléiques, et un ligand. Elle se mesure quantitativement par une constante d’équilibre association/dissociation, appelée parfois constante d'affinité.
• Cette affinité dépend de la nature, la géométrie et le nombre des interactions physiques entre le ligand et sa cible (interactions électrostatiques, liaisons hydrogènes, etc…).
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Avidité
• L’affinité est la force d’une seule interaction non covalente.
• l'avidité est l'intensité de l'ensemble des forces des interactions non covalentes entre une biomolécule et les ligands qui se fixent à sa surface sur plusieurs sites .
Réaction antigène-anticorps
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Anticorps
Isotypes = définissent les classes et sous classes :
• - IgG (1, II, III, IV)
• - Ig A (I, II)
• - Ig M, Ig D, Ig E
• - Ig kappa, Ig lamda
Caractéristiques de la liaison antigène - anticorps
• association de 2 molécules entre le paratopeet l'épitope. Cette association nécessite une bonne complémentarité stérique entre les 2 sites réactifs.
• c'est une réaction exothermique, spécifique et réversible.
• la loi d'action de masse détermine la constance d'équilibre K = affinité intrinsèque.
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Nature des liaisons• - faible énergie
• - dépendent de la complémentarité entre le paratope et l'épitope
• - non covalentes
• • forces de van der Walls :
• - les plus faibles
• - dues au mouvement des électron dans la molécule : formation de dipôles SS
• • forces électrostatiques = liaisons ioniques :
• - entre 2 groupements ioniques
• - 2 à 5 kcal/mol
• • liaison hydrogène :
• - entre atomes électropositifs et électronégatifs
• - faibles
• • liaisons hydrophobes :
• - entre groupements polaires ou hydrophobes
• - faibles
quand on mesure l'affinité d'un anticorps pour son antigène, on mesure la somme des forces attractives et répulsives.
Applications des réactions antigène - anticorps
• Diagnostic des maladies infectieuses (bactéries, virus, parasites, champignons)
• - diagnostic indirect = recherche d'anticorps spécifiques dans un sérum
• - diagnostic direct = recherche de l'agent infectieux dans différents liquides biologiques ou sur des biopsies.
• Diagnostic de pathologies affectant le système immunitaire = déficit immunitaire, maladie auto-immunes (ex : polyarthrite rhumatoïde), hypersensibilité (= allergie), syndromes prolifératifs (ex : lymphomes)
• Dosage quantitatif de molécules (Hormones, vitamines, protéines inflammatoires, médicaments,..etc.)
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Interaction ligand-Récepteur
Exemple d’interaction ligand-récepteur : Myoglobine en bleu lié à son ligand hème en orange.
Interaction ligand-Récepteur
• Parmi les différents types de ligands, on trouve les substrats enzymatiques, les effecteurs enzymatiques (inhibiteurs ou activateurs) ou encore des ligands des récepteurs comme les neurotransmetteurs.
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Les caractéristiques de l'interaction récepteur-ligand
• La liaison du ligand (endogène) à son récepteur est dans la plupart des cas non covalente.
• Pour les petits ligands, hormones et neurotransmetteurs par exemple, l'interaction est déterminée par des liaisons très localisées de nature électrostatique (longue et courte distance, attractive ou répulsive) et du type forces de « van der Waals » (courte distance, toujours attractive).
• Pour les grands ligands il s'ajoute une attraction hydrophobe qui concerne des surfaces très étendues. L'interaction est réversible, le ligand s'associe à son récepteur puis, après un certain temps, s'en sépare.
Affinité de la liaison entre récepteur et ligand
• L'interaction de la plupart des ligands avec leurs récepteurs par l'intermédiaire de leurs sites de liaison peut être définie par leur affinité de liaison.
• En général, les liaisons de haute affinité résultent d'une plus grande force intermoléculaire entre le ligand et son récepteur,
• Elles occasionnent un temps de séjour prolongé au site de liaison et peuvent avoir une importance physiologique lorsqu'une partie de l'énergie de liaison sert à modifier le récepteur structurellement, transformant le comportement d'un enzyme ou d'un canal ionique associé.
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Interaction enzyme-substrat
• Un enzyme est une protéine qui abaisse l’énergie d’activation d’un substrat sans être lui-même affecté.
• Un site actif est le site de l’enzyme qui va interagir avec le substrat.
• Il est difficile de mesurer la quantité d’enzyme en unités de masse ou de concentration molaire; l’activité enzymatique est définie en terme de vitesse de réaction.
• L’activité spécifique d’une enzyme est l’activité catalytique par unité de masse de protéine (I.U./mg d’enzyme solide)
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Action d’un enzyme
Nature des liaison enzyme-substrat
• Les substrats sont liés aux enzymes par des interactions faibles:constantes d’association de 10-2 à 10-8 M et ΔG d’interaction entre 3 et 12
kcal/mol (vs. 50 à 110 kcal/mol pour des liens covalents).
• La liaison du substrat au site actif implique souvent de nombreusesliaisons non-covalentes de types:- van der Waals- électrostatiques- ponts hydrogènes
• Ces 3 types de liaisons non-covalentes diffèrent dans leurs contraintes géométrique, force et spécificité. De plus, elles sont profondément affectées (de manière différente) par la présence d’eau.
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Classification des enzymes
Selon les réactions catalysées, les enzymes peuvent être classées dans six grandes catégories:
• 1. Oxydoréductases- qui catalysent des transferts d'électrons et de protons d’un donneur à un accepteur
• 2. Transférases- qui catalysent les transferts de groupements• 3. Hydrolases- qui catalysent des réactions d'hydrolyse (coupure des
liens C-C, C-O, C-N et autres par de l’eau)• 4. Lyases- qui catalysent l'addition de groupes à des liens doubles ou
l'inverse• 5. Isomérases- qui catalysent le transfert de groupes dans une même
molécule pour produire des formes isomères (ex. conversion d'un acide aminé L en acide aminé D)
• 6. Ligases- qui forment des liens C-C, C-S, C-O et C-N lors de réactions de condensation couplées à l'utilisation d'ATP
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Chapitre V. Interaction des ondes et des
particules avec la matière biologique
Rappels du spectre électromagnétique
• Le spectre électromagnétique est la distribution des ondes électromagnétiques en fonction de la longueur d'onde, la fréquence ou l’énergie.
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Rappels du spectre électromagnétique
Effets des rayonnements UV, visible et infrarouge sur les biomolécules
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Les ultraviolets : rayonnements qui restent assez énergétiques, ils sont nocifs pour la peau. Heureusement pour nous, une grande partie des ultraviolets est stoppée par l'ozone atmosphérique qui sert de protecteur des cellules. Leurs longueurs d’onde s’échelonnent d’un cent millième (10-8m) à quatre dixièmes de millième (4. 10-7 m) de millimètre.
Rayonnements UV
Visible Le visible correspond à la partie très étroite du spectre électromagnétique perceptible par notre œil. C’est dans le domaine visible que le rayonnement solaire atteint son maximum (0,5 μm) et c'est également dans cette portion du spectre que l'on peut distinguer l'ensemble des couleurs de l'arc en ciel, du bleu au rouge.Il s’étend de quatre dixièmes de millième (4.10-7 m) - lumière bleue - à huit dixièmes de millième (8.10-7 m) de millimètre - lumière rouge.
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Infrarougerayonnement émis par tous les corps dont la température est supérieure au zéro absolu (-273°C).En télédétection, on utilise certaines bandes spectrales de l'infrarouge pour mesurer la température des surfaces terrestres et océaniques, ainsi que celle des nuages.La gamme des infrarouges couvre les longueurs d’onde allant de huit dixièmes de millième de millimètre (8.10-7 m) à un millimètre (10-3 m).
Propriétés Spectroscopiques
Toute les biomolécules possèdent la capacité d’absorber et d’émettre de la lumière. Cette capacité constitue une fonction d’état de la matière. Puisque les spectres sont causés par des transitions entre niveaux énergétiques, la spectroscopie permet de déterminer les niveaux d’énergie des systèmes. Ceci nous révèle des informations sur la structure nucléaire, atomique et moléculaire.
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L’Absorption:
C’est un phénomène de diminution de l’énergie de l’onde lumineuse lors de sa propagation dans la substance/molécule, qui se produit par suite de la transformation de l’énergie de l’onde en énergie interne de la substance (émission, propagation /photoluminescence). Les résultats de cette transformation sont : réchauffement, ionisation des atomes, réactions photochimiques,..etc.
Obtention d’un spectre d’absorption caractéristique d’une biomolécule.
La chlorophylle b absorbe à 445 nm (bleu) et 645 nm ( rouge).
Spectre témoin
Spectre de la chlorophylle b.
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Obtention d’un spectre d’absorption caractéristique d’une biomolécule
• Comment obtenir un spectre?
• La lumière blanche est composée de plusieurs éléments (qui ont différentes longueurs d'onde).
Obtention d’un spectre d’absorption caractéristique d’une biomolécule
• Le spectre de la lumière blanche peut être obtenu par un prisme ou par un réseau.
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Etude de la fluorescence naturelle ou à l’aide de fluorophores des molécules
biologiques.
• Le succès de la Fluorescence est lié à sa grande sensibilité de détection
• Utilisation extensive dans de nombreux domaines:
• - Physique
• - Chimie
• - Biochimie
• - Biologie
• - Médecine
• - Industrie pharmaceutique
• - Environnement
Fluorescence
• Intérêt de la fluorescence en Biologie:
• 1- Localisation subcellulaire de lipides et de protéines
• 2- Etude dynamique du trafic intracellulaire
• 3- Etude des interactions moléculaires
• 4- Etude de la viscosité membranaire
• 5- Etude du repliement d’une protéine (dénaturation / renaturation)
• 6- Etude du Séquençage de l’ADN
• 7-Analyse génétique par hybridation in situ (FISH)
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La Fluorescence Moléculaire
Le principe de la fluorescence
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Obtention d’un spectre d’émission caractéristique d’une biomolécule.
• Le spectre d’émission d’une molécule est l’intensité d’émission de la radiation à différentes longueurs d’onde quand elle retourne à des niveaux d’énergie inférieurs. Il est en général centré sur plusieurs pics, il est caractéristique de l’espèce et peut être utilisé pour son identification.
Exemples de spectres d’émission
Spectre d’émission du fer
Spectre d’émission de l’hydrogène
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Interactions des ultrasons et de la matière biologique
• La pénétration des ultrasons dans les tissus dépend de la fréquence des ultrasons et de la perméabilité ou l’impédance acoustique des tissus.
• La fréquence et la profondeur de la pénétration des ultrasons sont inversement proportionnelles.
LES EFFET DES ULTRASONS SUR LA MATIERE BIOLOGIQUE :
• Effet mécaniqueLes vibrations des ultrasons provoquent dans les tissus des variations de pression qui sont dues à des compressions
alternées selon une périodicité correspondant à leur fréquence. Cet effet mécanique provoque de véritables micro-massages qui peuvent aboutir à une dilacération des fibres du tissu conjonctif. Cet effet est appelé, effet fibrolytique ou scérolytique, mis a profit dans le traitement des adhérences et des cicatrices.
• Effet thermiqueLes ultrasons provoquent une augmentation de la température de la peau et du tissu sous-jacent . Elle s'accompagne
évidemment d'une vasodilatation c'est à-dire d'une augmentation du calibre des vaisseaux sanguins. Simultanément à cette augmentation de la température, se produit une modification de la perméabilité des membranes.
• Effet antalgiqueLa conductibilité nerveuse peut subir un ralentissement voire une interruption momentanée. Ceci s'expliquerait par
une dépolarisation de la fibre nerveuse afférente due à l'effet thermique. Par contre l'effet des ultrasons sur le système nerveux central est assez néfaste. Il apparait que le système nerveux central est très sensible aux ultrasons, On peut observer des lésions allant jusqu'à destruction complète.
• Effet destructeurL'application des ultrasons, non plus sur un tissu humain, mais in vitro, fait apparaître, à condition d'augmenter
considérablement la puissance par cm2, un effet destructeur important, avec libération de bulles gazeuses dans le tissu : c'est le phénomène de cavitation.
![Rapport Doha Et Bouchra Marsa Maroc[2]](https://img.pdfslide.fr/doc/110x75/5571fc194979599169967c2a/rapport-doha-et-bouchra-marsa-maroc2.jpg)
