Composition de la matière : atomes et éléments
L’atome
Tous les objets vivants ou non se composent de matière. Toutes les formes de matières sont composées essentiellement d’éléments chimiques. On connaît actuellement 111 éléments chimiques différents. Les plus petits composants chimiques de notre corps sont les atomes. Ils sont composés essentiellement par les éléments H l’hydrogène, C carbone, O oxygène et N azote. Chez l’homme, on retrouve 26 éléments chimiques différents :
96% de la masse corporelle est représentée par l’oxygène, le carbone, l’hydrogène et l’azote,
3% sont composés de calcium, phosphore, potassium, soufre, sodium, chlore, magnésium (éléments minéraux).
1% d’éléments sont présents dans l’alimentation et dans l’organisme qu’en très petite quantité : ce sont les OLIGO-ÉLÉMENTS. Tous ne sont pas indispensables à la vie.
Les éléments essentiels à la vie sont :
Le fer, composant essentiel du pigment sanguin hémoglobine ;
Le cobalt, composant de la vit B12 ;
le chrome, le cuivre, le manganèse, le molybdène, le sélénium, le zinc qui sont qui sont contenus dans les enzymes intracellulaires;
L’iode, nécessaire à la synthèse des hormones thyroïdiennes ;
Le fluor nécessaire à la construction d’un émail dentaire dur et résistant aux bactéries.
Enfin, on a quelques traces de Nickel, Silicium, Etain, Vanadium…
Les atomes se regroupent grâce à des forces de liaison, en corps plus gros, qui sont les molécules.
Les composés chimiques
La plupart des éléments chimiques se présentent dans l’organisme sous la forme, non pas d’atomes, mais de composés chimiques, qui peuvent être divisés en 2 groupes principaux :
Les composés organiques
Ils sont formés d’atomes de carbone, d’oxygène et d’hydrogène et sont liés entre eux par des liaisons covalentes.
Les composés organiques contiennent différents sous groupes :
Les sucres ou hydrates de carbone ou GLUCIDES : Ils représentent la source d’énergie rapidement disponible.
Ils sont répartis en différents groupes :
–Les monosaccharides, ou sucre simple, constitué d’une armature de carbone formant une structure cyclique (un penta ou un hexagone)
Ex : Le glucose (hexagone) Le fructose (pentagone)
–Les disaccharides, ou sucre double, sont formé par une réaction de synthèse combinant 2 monosaccharides.
Sucrose
–Les polysaccharides : Ce sont des longues chaînes de sucres simples réunis par une réaction de synthèse. Ces longues molécules formées d’une chaîne d’unités identiques sont appelées POLYMÈRES. 2 polysaccharides seulement sont indispensables à notre organisme : L’amidon (retrouvé chez les végétaux, comme la pomme de terre) et le glycogène (spécifique du tissus animale).
Après la digestion, tous les polysaccharides sont transformés en glucose par le foie qui est le seul organe qui possède les enzymes nécessaires pour cette transformation.
Le glucose peut être stocké, alors, dans le foie et dans les muscles sous la forme de glycogène.
Les graisses ou acides gras ou LIPIDES : Ils sont insolubles dans l’eau, mais solubles dans les autres lipides, on dit qu’ils sont LIPOSOLUBLES. Ils représente également une source d’énergie pour la cellules (ils contiennent 2 fois plus d’énergie que les hydrates de carbones), mais cette énergie n’est pas aussi disponible que les sucres, ce sont les constituants des membranes de nos cellules.
Il existe différents types de lipides :
Les triglycérides : ce sont des molécules composés d’un squelette de glycérol associé à 3 acides gras (longues chaînes de carbone (16 à 18) et d’hydrogène).
On peut avoir des ac gras saturés (uniquement des liaisons simples), ou insaturés (une double liaison) ou poly insaturé (plusieurs doubles liaisons).
Ces derniers ne peuvent être synthétisés par l’organisme et sont donc appelés acides gras essentiels, ils doivent être apportés par l’alimentation. Ils sont indispensables comme produits de base pour la synthèse de plusieurs tissus humains (contenus dans les huiles végétales ou de poissons en plus fortes quantités que les graisses animales : ac arachidonique, linoléique, etc.)
Les triglycérides sont une grosse réserve d’énergie à utiliser en cas de pénurie ; Stockés dans les tissus adipeux sous-jacents à la peau, ils ont des fonctions d’isolation et de protection.
Les phospholipides : 2 ac gras sont reliés au glycérol.
Ces phospholipides ont un rôle principalement dans la construction des membranes cellulaires.
Le cholestérol : synthétisé et importé par les aliments d’origine animale (absent des plantes). C’est le composant essentiel des membranes cellulaires, c’est le précurseur des hormones stéroïdiennes, c’est le précurseur des acides biliaires.
Si il y a déséquilibre entre cholestérol absorbé et celui produit, on peut avoir un taux élevé dans le sérum avec risque plus élevé d’artériosclérose avec risque d’infarctus ou d’accident vasculaire cérébral.
Les PROTEINES : Ce sont les composants essentiels des organes, ce sont les portes de toutes les membranes cellulaires et protègent la spécificité de la cellule en contrôlant l’entrée et la sortie des substances.
Ce sont des biocatalyseurs ou enzymes qui permettent aux réactions chimiques de se réaliser sans l’apport de chaleur excessive pour l’organisme. (A noter : la plupart des enzymes possèdent une aide appelé coenzyme ; souvent de structure très complexe et non protéique, dérivés des vitamines qui sont apportées par l’alimentation (avitaminose : risque d’anomalies métaboliques).)
Les protéines sont composées d’ac aminés dont la structure de base est commune : atome central de carbone relié à 4 groupements différents :
Un groupement COOH, ou carboxyle
Un groupement NH2, ou amine
Un atome d’hydrogène
Un groupement variable
Le dernier groupement est celui qui caractérise chacun des 20 AA présents dans les protéines humaines. Parmi eux, 8 sont essentiels (valine, phénylalanine, isoleucine, thréonine, tryptophane, méthionine, lysine ; pour les nourrissons, l’arginine et l’histidine sont aussi essentiels) et ne peuvent être synthétisés par l’organisme, doivent être apportés par l’alimentation.
Les AA forment entre eux une liaison peptidique (entre COOH et NH2), on parle alors de dipeptide, tripeptide, polypeptide et si on a plus de 100 AA c’est une protéine.
La chaîne polypeptidique représente la structure primaire ; la structure secondaire d’une protéine est une organisation particulière de la chaîne polypeptidique soit en hélice alpha, soit en feuillet plissé bêta ; Les structures tertiaire et quaternaire permettent d’individualisé 2 types de protéine : les protéines fibreuses ou globulaires.
Si la structure tridimensionnelle est détruite, la protéine ne peut plus remplir sa fonction biologique (inactivation bactérienne ou virale par la chaleur).
Les protéines sont détruites en AA pendant la digestion et amenés au foie. Les AA sont réutilisés pour la synthèse des protéines de l’organisme lors des processus de croissance, de renouvellement et de réparation. Les AA non essentiels peuvent être transformés en d’autres AA non essentiels.
Les ACIDES NUCLÉIQUES : Les informations nécessaires à l’élaboration des protéines se retrouvent sous une forme codée au niveau des acides nucléiques. Il existe 2 sortes d’acides nucléiques :
– L’acide désoxyribonucléique (ADN) : deux longues chaînes en double hélice avec une alternance de molécules de sucre et de molécules de phosphate. Au niveau des molécules de sucre, on retrouve des bases azotées qui constituent des échelons. Les bases sont l’adénine, la thymine, la guanine et la cytosine. La taille et la structure des bases font qu’une adénine se retrouve toujours en face d’une thymine et qu’une cytosine est liée à une guanine. Donc, les 2 brins sont complémentaires, l’un est le négatif de l’autre.
Un nucléotide est la combinaison d’une des bases avec un sucre et un phosphate.
3 milliards de nucléotides à la file (paires de bases), un gène pour chaque protéine.
– L’acide ribonucléique (ARN) : Il est formé d’un seul brin, et est constitué de ribose et la thymine est remplacée par l’uracile.
Il joue une grand rôle dans la synthèse des protéines : ARNm, ARNr et ARNt.
– L’adénosine triphosphate (ATP) : Nucléotide clé dans le système énergétique. Une cellule ne peut vivre ou survivre que s’il y a suffisamment d’ATP disponible dans la cellule. Cet ATP est donc fondamental et on le trouve dans tous les organismes terrestres. Il stocke l’énergie et la restitue en cas de besoin ; c’est la batterie de la cellule.
Formée de l’adénine, du ribose et de 3 groupe phosphates. Les liaisons entre les 3 groupe phosphates sont très énergétiques : si le 3ème groupe est détaché par l’action de l’eau, il y a libération d’énergie utilisable par la cellule.
Les composés inorganiques
Ils ne contiennent habituellement pas de carbone : ex. sels, acides, bases, eau, exception faite pour le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone.
Importance de l’eau : l’eau intracellulaire représente 60% des cellules, et l’eau extracellulaire 90% du liquide interstitiel.
Chez l’adulte, l’eau représente 60% de la masse corporelle ; et l’on atteint les 75% chez le nouveau né.
Toutes les réactions chimiques de l’organisme se déroulent dans un milieu aqueux. L’eau est en faite le produit de dilution. Les substance importante pour la vie comme l’oxygène ou les molécules alimentaires peuvent atteindre toutes les cellules à travers l’eau extracellulaire.
La cellule
Les cellules sont les unités fondamentales de tout être vivant. Tous les organismes vivants sont constitués de cellules, des organismes unicellulaires tels que les amibes aux êtres multicellulaires complexes tels que les humains, les chiens, les arbres.
Le corps humain comprend de 50 à 100 millions de millions de ces minuscules pièces que sont les cellules.
Relation structure/fonction
Dans les millions de millions de cellules de l’organisme humain, on trouve quelque 200 types de cellules aux formes, aux tailles et aux fonctions très diverses. FIG 3.1
Parmi les formes possibles, citons les cellules adipeuses qui sont sphériques, les globules rouges du sang qui sont en forme de disque, les neurones qui sont ramifiés et les cellules des tubules des reins qui sont cubiques.
Selon le type auquel elles appartiennent, la dimension des cellules est aussi très variable : elle peut aller de 2 micromètres pour les plus petites à plus d’1 mètre pour les neurones qui vous permettent de remuer les orteils.
La forme d’une cellule et son mode d’agencement avec ses voisines reflète sa fonction. Par exemple, les cellules épithéliales plates en forme de tuile qui couvrent l’intérieur de vos joues sont étroitement imbriquées ; elles constituent ainsi une barrière vivante qui protège les tissus sous-jacents de toute invasion bactérienne.
Modèle général FIG 3.2
Toutes les cellules ont en commun plusieurs structures fondamentales et certaines fonctions.
Les cellules comportent 3 régions principales : la membrane plasmique, le cytoplasme et le noyau.
La membrane plasmique, barrière plutôt fragile, forme la limite extérieure de la cellule. Le cytoplasme, cad le liquide intracellulaire rempli d’organites (ou organelles), ces petites structures assurant certaines fonctions à l’intérieur de la cellule. Le noyau, qui régit toutes les activités de la cellule, est habituellement situé au centre de celle-ci. Voyons de plus près ces structures.
La membrane plasmique
Structure : Membrane formée d’une double couche lipidique dans laquelle sont enchâssées des protéines ; les protéines peuvent traverser toute l’épaisseur de la bicouche lipidique ou ne dépasser que d’un coté de celle-ci ; des groupements sucre sont attachés aux protéines et à certains lipides qui font face à l’extérieur de la cellule.
Fonction : Délimite le volume de la cellule ; intervient dans le transport des substances vers l’intérieur et l’extérieur de la cellule ; entretient un potentiel de repos qui est essentiel au fonctionnement des cellules excitables ; les protéines faisant face à l’extérieur de la cellule sont des récepteurs (d’hormones, de neurotransmetteurs, etc. 😉 et interviennent dans la reconnaissance des cellules entre elles.
Le cytoplasme
C’est la région de la cellule située entre l’enveloppe nucléaire et la membrane plasmique ; formé du cytosol, un liquide qui contient des substances en solution, des inclusions (réserves de nutriments, produits de sécrétion, granules pigmentaires) et des organites, qui constituent l’appareil métabolique du cytoplasme.
Les organites cytoplasmiques :
– Les Mitochondries : Structures en forme de bâtonnets, possédant 2 membranes. La membrane interne forme des projections appelées crêtes.
C’est le siège de la synthèse de l’ATP ; source d’énergie de la cellule.
– Le Réticulum rugueux : Réseau tortueux de membranes formant des cavités, les citernes ; couvert de ribosomes sur sa face externe. (Les ribosomes sont des particules denses constituées de 2 sous unités ; C’est le siège de la synthèse des protéines)
Dans les citernes du réticulum, des groupements sucre sont liés aux protéines ; les protéines sont enfermées dans des vésicules qui les transportent vers le complexe golgien et d’autres sites ; la face externe synthétise les phospholipides et le cholestérol.
– Le Réticulum lisse : Réseau de sacs et de tubules membraneux ; ne comporte aucun ribosome.
C’est le siège de la synthèse des lipides et des stéroïdes, du métabolisme des lipides et de la neutralisation des drogues et des médicaments.
– Le complexe golgien : Pile de sacs membraneux lisses et de vésicules, située près du noyau.
Permet l’emballage, la modification et l’isolation des protéines qui doivent être sécrétées par la cellule, incluses dans les lysosomes ou intégrées à la membrane plasmique.
– Les lysosomes : Sacs membraneux contenant des hydrolases acides.
C’est le siège de la digestion intracellulaire.
– Les Peroxysomes : Sacs membraneux contenant de puissantes enzymes (oxydases et catalase).
Les enzymes neutralisent certaines substances toxiques ; l’enzyme la plus importante, la catalase, dégrade le peroxyde d’hydrogène.
– Les microtubules : soutiennent la cellule et lui confèrent sa forme ; interviennent dans le mouvement cellulaire et intracellulaire.
Le noyau
C’est le plus gros des organites, c’est le centre de régulation de la cellule, il transmet l’information génétique et donne les instructions pour la synthèse des protéines.
Il est composé
– D’une enveloppe nucléaire : structure formée d’une double membrane, percée de pores. La membrane externe est prolongée par le réticulum endoplasmique.
– Des nucléoles : corps sphériques denses (non entourés d’une membrane) constitué d’ARN ribosomal et de protéines, c’est le siège de la fabrication des sous unités ribosomales.
– De chromatine : matériau granulaire filamenteux composé d’ADN et d’histones (protéines) ; Les gènes sont formés d’ADN.