Introduction

Eléments chimiques : ions (chargé + ou – en gagnant ou perdant un électron), atomes (électriquement neutre).

C, H, O, N sont les éléments chimiques principaux, représentant plus de 96% de la masse corporelle.

P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg représentent environ 4 % de la masse corporelle, ils sont souvent sous forme ionique (en solution).

Fe, I, Co, Mn, Zn, F, Cu sont les oligo-éléments, présents en très faible quantité dans l’organisme, sont indispensables au bon fonctionnement des cellules. Servent aux enzymes pour leurs structures tridimensionnelles.

Assemblage des atomes de ces différents éléments chimiques par l’intermédiaire de liaisons covalentes (mettent en commun les électrons sur leurs dernières couches d’électrons) essentiellement donnent une molécule.

Deux catégories de molécules :

Composés organiques (composé obligatoirement de carbone au moins)
Composés inorganiques ou minéraux (CO₂ et dérivés)

Le carbone a un rôle central, il est tétravalent (4 électrons sur sa couche externe), sa structure électronique lui permet de s’unir indéfiniment à lui-même pour former des chaines, des cycles. Il répond à la règle de l’octet (il doit être entouré de 8 électrons pour être le plus stable possible et se rapprocher du gaz rare le plus proche). Il créé des chaines linéaires, cycliques et ramifiées. Il s’unie à d’autre élément pour former des groupements chimiques.

Les alcools	Les aldéhydes	Les cétones	Les acides carboxyliques	Les amines
C-OH	H-C=O	R-C(=O)-R’	R-COOH	R-NH₂
Se termine en ol	Se termine en al	Se termine par one	Se termine par oïque	Se termine par amine

Eau, substance la plus abondante des cellules

L’eau représente, à quelques exceptions près, la substance la plus répandue, la plus indispensable, la plus abondante de la matière vivante. Elle représente 60 à 80% du volume de la plupart des cellules vivantes.

Importance et répartition de l’eau dans l’organisme

Chez l’homme adulte l’eau représente 60% de la masse corporelle.

Pour un homme de 70kg :

Cette eau n’est pas répartie uniformément dans le corps, certains organes en contiennent plus que d’autres.

Tissu osseux : 20 à 30%	Cerveau : 80%	Foie : 70%
Sang : 80%	Tissu musculaire : 76%	Tissu adipeux : 10%

L’eau est indispensable à la vie :

Une perte de l’ordre de 10% entraine une grande fatigabilité
Une perte de 20% entraine la mort

Chaque jour, le corps humain élimine 2.4L d’eau à travers la respiration, la sueur, l’urine… il faut donc remplacer ce volume d’eau par la boisson et l’alimentation pour éviter la déshydratation. L’homme adulte à un besoin en eau de l’ordre de 35g/jour/kg de poids corporel.

On peut représenter la répartition de l’eau dans l’organisme en « secteur hydrique ».

Dans le corps humain il y a différents secteurs hydriques :

Le liquide intracellulaire : l’eau est retrouvée dans les cellules (cytoplasme)
Milieu extérieur : L’eau est dans la matrice extracellulaire = lymphe interstitielle (créé par le plasma qui s’échappe des vaisseaux mais sans les protéines)

La lymphe est récupérée constamment par les vaisseaux lymphatiques. Il y a donc une autre sorte de lymphe : la lymphe canalisée.

Il y a aussi le plasma qui se trouve dans les vaisseaux sanguins.

Eau, molécule polaire

La molécule d’eau est une molécule triatomique. Chaque atome est lié à l’atome d’oxygène par une liaison covalente.

Molécule polaire : Electriquement neutre. Molécule qui fait apparaitre des charges partielle (Delta – et Delta +), et pour avoir une molécule polaire il faut au moins un atome électronégatif.

Ex : L’oxygène est électronégatif (attire les électrons vers lui).

Liaison hydrogène

Lorsque deux molécules d’eau sont très proches l’une de l’autre, elles vont établir entre elles des interactions appelés liaisons hydrogènes. La formation d’une liaison hydrogène est la conséquence du caractère polaire de la molécule d’eau. Ce sont des liaisons faibles, car il y a seulement mis en jeu d’interaction électrostatique et donc pas de mise en commun d’électrons.

Liaison hydrogène : il faut un atome d’hydrogène lié de manière covalente à un atome électronégatif, et un atome très électronégatif située à proximité.

Caractéristiques de la liaison h :

Liaison pratiquement linéaire
Longueur : 250 à 300 pm
Energie de la liaison : 8 à 34kJ/mol.
Position non permanente : se fait et se défait très facilement
Peut-être intramoléculaire et le plus souvent intermoléculaire

Rôles de l’eau dans l’organisme

L’eau dans la matière vivante exerce des rôles très nombreux :

Phénomènes de régulation thermique
Solubilisation, l’ionisation de certains composés hydrosolubles : c’est un solvant
S’associent aux macromolécules hydrophiles et forment autour d’elles des couches d’hydratation
Milieu de transport (plasma, lymphe)
Echange entre les cellules (milieu interstitiel)
Participe à de très nombreuses réactions dans la cellule :

Hydrolyse : coupe des liaisons covalentes

Condensation : inverse d’une hydrolyse

Acido-basique : acide (libère un H+), base (gagne un H+) : A-H + H₂O à A^– + H₃O⁺

Réaction d’oxydoréduction : transfert seulement d’électrons

Autre molécule polaire : Glucose : C₆H₁₂O_6,c’est une molécule polaire (du fait qu’il y ai beaucoup d’oxygène dedans).

Ions et sels minéraux

Ions : atome qui a perdu ou gagné un électron (Na⁺)

Sels minéraux : association d’anions et de cations (NaCl)

Certains sels minéraux sont à l’état solide, non ionisés, ils constituent une réserve. Ils sont en équilibre avec leurs ions en solution.

Les os sont des réserves de calcium. Il y a formation de sels de calcium + phosphore qui créé des sels solide (hydroxyapatite).

Na⁺ et K⁺ servent dans l’influx nerveux : génère le potentiel d’action

Ca²⁺sert à l’exocytose dans les synapses du neurotransmetteur ou pour la contraction musculaire, et enfin pour la coagulation sanguine (enzyme activée par le calcium)

Les biomolécules

L’eau mise à part, la presque totalité des molécules d’une cellule est formée par des molécules carbonées constituant des biomolécules : glucides, lipides, protides, acides nucléiques.

Parmi les biomolécules, on trouve dans les cellules, de petites molécules organiques qui peuvent contenir jusqu’à 30 atomes de carbone. Ce sont :

Les oses
Les acides aminés
Les acides gras
Les nucléotides

Ces petites molécules organiques sont généralement libres dans le cytoplasme : monomère. Elles forment un groupe d’intermédiaires : précurseurs à partir desquels sont édifiées des macromolécules ou polymères.

Protides : protéines, peptide, acides aminés, acides nucléiques.

Monomère (précurseur)	Macromolécules (polymères)
Oses	Polyosides ou polysaccharides
Acides aminés	Peptides ou protéines
Nucléotides	Acides nucléiques (ADN ou ARN)

Les glucides

Représentent 1 à 2% de la masse cellulaire. On classe ces composés d’après des critères de réactions à l’hydrolyse et de taille :

Oses : glucides simples, non hydrolysable, molécules de 3 à 7 atomes de C. Monomère des osides.

Osides : résultent de l’association d’un nombre variable d’oses par des liaisons osidiques. Ils sont donc hydrolysables. Peuvent contenir éventuellement une partie non glucidique.

Holosides : formés exclusivement d’oses

Oligoholosides : formés de 2 à 10 molécules d’oses.
Polyholosides : formés de plus de 10 molécules d’oses.

Hétérosides : ose(s) associé(s) à une partie non glucidique

Les oses les plus important dans le corps humain sont des :

Pentoses : le désoxyribose présent dans l’ADN et le ribose présent dans l’ARN
Hexoses : le glucose présent dans le sang

Les oses

On le définit par rapport à sa structure. On les appelle « hydrate de carbone ». C_nH_2nO_n.

Chaine carbonée constitué de fonction hydroxyle avec ou une fonction aldéhyde (en bout de chaine) ou une fonction cétone (dans la chaine).

Le glucose et le fructose sont deux isomères (même structure brute).

Pour numéroter : le 1 est donné au carbone le plus oxydé (attaché au plus d’oxygène et à moins d’hydrogène).

La forme cyclique = forme d’Haworth.

Dans la cyclisation d’un ose, on perd la fonction aldéhyde.

Lorsque le OH formé en C1 va vers le bas c’est appelé α, inverse pour β.

Lorsque la dernière fonction OH est à droite c’est appelé D, inverse pour L.

Les osides

Ils résultent de l’union d’un certain nombre de molécules d’oses par des liaisons osidiques avec éventuellement une partie non glucidique.

Pont entre deux oses : pont osidique.

Β-D-Galactose + α-D-Glucose à Lactose

Glucose + Fructose à Saccharose

Glucose + Glucose à Maltose

Polyosides

Ce sont des polymères résultant de la condensation d’un grand nombre de molécules du même ose ou d’un grand nombre de molécules de divers types d’oses.

Ex : amidon :

Monomère : glucose
Liaisons osidiques : alpha (1 :4) et alpha (1 :6)

Ex : glycogène :

Monomère : glucose
Liaison osidiques : béta (1 :4) et béta (1 :6)

Fonctions des glucides

Source d’énergie : dans l’organisme, les glucides sont avant tout des combustibles que les cellules peuvent obtenir et utiliser rapidement. Le glucose est une source d’énergie immédiatement utilisable. Le glycogène est une réserve énergétique.

Le glucose va être dégradé (découpé) par la cellule pour libérer de l’ATP (Adénosine triphosphate).

La réaction principale pour dégrader le glucose est la glycolyse : Glucose à pyruvate + ATP

Ensuite le pyruvate est dégradé dans la mitochondrie si la cellule a assez de dioxygène. Sinon en anaérobie le pyruvate est dégradé en lactate à l’aide de la fermentation dans le cytoplasme.

Il y a alors le cycle de KREBS qui est démarré.

Les protides

Le terme « protéine » vient du grec « protos » qui signifie fondamentalement, d’importance capitale. Les protéines interviennent dans la structure et différents aspects du fonctionnement de la cellule. Elles sont toute constituées par un assemblage de molécules de base, les acides aminés, liés les uns aux autres par des liaisons peptidiques.

Les acides aminés

Dans pratiquement tous les acides aminés naturels, les groupes amine et le carboxyle sont portés par le même C : on parle de 2-amino-acide ou acide alpha aminé dans la notation des chaînes carbonées par l’alphabet grec.

La chaine latérale, R, est caractéristique de chaque acide aminé.

Il existe environ 20 acides aminés différents qui entrent dans la composition des peptides et des protéines.

Liaison peptidique

La liaison peptidique correspond au mode d’enchainement des acides alpha-aminés dans les peptides et les protéines.

Les peptides

Ce sont des composés naturels ou synthétiques résultant de l’enchainement d’un nombre limité d’acides aminés (2 à 50) par des liaisons peptidiques. On distingue en général :

Les oligopeptides formés par un petit nombre d’acides aminés
Les polypeptides formés d’un plus grand nombre d’acides aminés (jusqu’à environ 50 acides aminés)
Les différents niveaux de structure des peptides et des protéines

Structure primaire : l’ordre dans lequel s’enchaine les acides aminés par l’intermédiaire de liaison peptidique.

Structure secondaire : hélice alpha ou feuillet béta. Repliement stabilisé par des liaisons faibles hydrogènes.

Structure tertiaire : organisation spatiale de la molécule c’est-à-dire la façon dont la chaine polypeptidique se replie dans l’espace. Elle résulte de liaisons qui s’établissent entre acides aminés éloignés dans la structure primaire.

Structure quaternaire : correspond à l’association spécifique de plusieurs chaines polypeptidiques appelées sous unités en un super édifice seul capable d’assurer les fonctions biologiques. Les sous unités peuvent être identiques ou différentes. L’assemblage des sous unités se fait par des liaisons faibles.

Fonctions des protéines

Les protéines exercent de très nombreuses fonctions.

Transport : hémoglobine, transferrine
Défense : anticorps, immunoglobulines
Hormonales : hormones peptidiques : ADH, GH, Insuline, Glucagon
Structure : collagène, kératine
Contractiles : myosine, actine
Enzymatiques : hydrolases

Les lipides

Les lipides représentent 10 à 15% du poids sec d’une cellule. Ils constituent un groupe très hétérogène de constituants essentiels de la matière vivante.

Lipides vrais : résultats de la liaison d’un alcool avec un ou plusieurs molécules d’acide gras.

Lipides simples : composés ternaires contenant C, H, O. Ex : Triacylglycérols.
Lipides complexes : contenant en plus du C, H, O, du P, N, S. Ex : Phospholipides.

Composés à caractères lipidiques : ne contiennent pas d’acides gras. Ils sont apparentés aux lipides par leur critère de solubilité.

Constituants des lipides vrais

Les acides gras : ce sont des acides carboxyliques (R-COOH) dans le radical R est une chaine hydrocarbonée plus ou moins longue qui confère à la molécule son caractère hydrophobe. La majorité des acides gras naturels présentent des caractères communs :

Ils sont monocarboxyliques
La chaine hydrocarbonée est linéaire et à nombre pair d’atomes de C
La chaine hydrocarbonée est saturée ou en partie insaturée

Fonctions des lipides

Ils présentent des structures très cariées et vont par conséquent, assurer des fonctions biologiques très diverses.

Ils constituent une source de combustibles pour les cellules via les réactions d’oxydation. Les triacylglycérols sont essentiellement stockés dans les cellules adipeuses. Afin de couvrir les besoins énergétiques, les triacylglycérols seront dégradés en acides gras et glycérol. C’est la lipolyse.

Les acides gras, sont oxydés et fournissent de l’acétyl-coenzyme A : c’est la B-oxydation. Les molécules d’acétyl-coenzyme A entrent dans le cycle de Krebs. Ils jouent un rôle structural comme constituants des membranes biologiques. Ils peuvent assurer un rôle de protection ou d’isolant. Certains lipides sont des molécules douées d’activités biologiques.

Les acides nucléiques

Ils représentent 10 à 20% de la masse sèche d’une cellule. Ce sont les molécules les plus volumineuses du monde vivant. Les acides nucléiques sont des polymères qui se caractérisent par une structure primaire correspondant à l’enchainement de nucléotides et un agencement spatial.

Les molécules constitutives

Pentose : diffère selon la catégorie d’acides nucléiques :

Dans l’ARN : B-D-Ribofuranose ou B-D-Ribose
Dans l’ADN : 2-désoxy-B-D-Ribofuranose ou B-D-Désoxyribose

Acide phosphorique : au pH cellulaire, l’acide phosphorique est ionisé et se trouve sous forme d’ion hydrogénophophate.

Base azotée : cinq bases azotées majeures entrent dans la composition des acides nucléiques : ce sont des dérivés d’hétérocycles azotés à caractère basique répartis en deux séries :

Les bases pyrimidiques : dérivant d’un hétérocycle azoté à quatre atomes de C et deux atomes d’azote, la pyrimidine.
- Dans l’ADN : Cytosine – Thymine
- Dans l’ARN : Cytosine – Uracile
Les bases puriques : dérivant de la condensation de deux hétérocycles azotés, la purine
- Adénine – Guanine
Les nucléosides

Résultent de l’association entre un pentose et une base azotée par l’intermédiaire d’une liaison osidique.

Les nucléotides

Ce sont des esters phosphates des nucléosides.

Les nucléotides polyphosphates sont des composés à haut potentiel énergétique : l’hydrolyse des liaisons anhydre d’acide ont dans les conditions cellulaires libère environ 30kJ/mol. L’ATP est une forme de réserve temporaire et source d’énergie utilisable par la cellule.

La polymérisation nucléotidique

L’enchainement des nucléotides se fait par l’intermédiaire de liaison de type ester : l’hydroxyle situé en 3’ d’un nucléoside mono phosphate est estérifié par le phosphate situé en 5’ du nucléotide suivant.

L’ARN

Les ARN sont des polymères de nucléosides 5’-monophosphates. Dans les ARN, le nombre de nucléotides va de plusieurs dizaines à plusieurs milliers.

Dans les cellules eucaryotes, les molécules d’ARN sont de simples brins de nucléotides même si l’appariement des bases peut se faire sur des longueurs variables. Il existe trois principaux types d’ARN :

ARN messager
ARN de transfert
ARN ribosomique

L’ADN

Les quatre types de desoxyribonucléotides (dAMP, dCMP, dTMP, dGMP) sont associés pour former de longues chaînes de plusieurs milliers à plusieurs dizaine de milliers de désoxyribonucléotides.

Importance relative de chaque type de désoxyribonucléotides dans les ADN : quelle que soit l’origine cellulaire de l’ADN, on retrouve toujours les égalités suivantes :

La somme des bases puriques est égale à la somme des bases pyrimidiques : A + G = C + T.

En effet dans la molécule d’ADN on trouve : A = T et C = G.

Conformation tridimensionnelle des ADN : James Watson propose une explication à cette stœchiométrie des bases azotées : il existe des appariements entre les bases puriques et pyrimidiques situées en vis-à-vis sur les deux chaines par l’intermédiaire de liaisons H.

Francis Crick compris, grâce aux techniques de cristallographie, que l’ADN est constitué de deux chaines polynucléotidiques appariées l’une à l’autre en une structure hélicoïdale régulière.

Les deux chaines sont complémentaires
Les deux chaines sont orientées dans des directions opposées : elles sont dites antiparallèles
Les deux chaines polynucléotidiques s’enroulent une double hélice droite
Les plans des paires de bases de l’hélice sont perpendiculaires à l’axe de l’hélice