Cours ifsi - Biologie fondamentale - les molécules du vivant (partie 1)

La biologie fondamentale (UE 2.1 S1) est un enseignement dense mais néanmoins indispensable aux étudiants en soins infirmiers. Bonne lecture et bon travail d'assimilation !

Le corps humain est constitué de :

• substances minérales :
• eau H20
• gaz respiratoires : O2 et CO2 ;
• macro-éléments : NA, K, Cl, .....
• oligo-éléments : Fe, Cu, Zn...
• molécules organiques :
• glucides ;
• lipides ;
• protides ;
• acides nucléiques ;
• vitamines.

Les nutriments, ou éléments nutritifs, sont constitués par l'ensemble des composés organiques et minéraux nécessaires à l'organisme vivant pour entretenir la vie.

Le processus d'assimilation des nutriments est la nutrition.

Les nutriments sont des composants élémentaires contenus dans les aliments, ou issus de la nature ambiante.

Ils sont utilisés par l'organisme pour couvrir ses besoins physiologiques, notamment de croissance et de développement.

Un nutriment peut être directement assimilé sans aucune modification chimique.

Les aliments contiennent :

• Des molécules qui sont directement absorbées et utilisées par les cellules de l'organisme :
  • eau ;
  • ions ;
  • gaz ;
  • vitamines ;
  • oses (fructose, galactose, glucose) ;
  • acides gras ;
  • acides aminés.
• Des molécules qui doivent être digérées avant d'être absorbées et utilisées par les cellules de l'organisme :
  • glucides complexes (amidon, lactose) ;
  • lipides complexes (triglycérides...) ;
  • protéines.
• Des molécules non digérées, mais utiles à la progression des aliments dans le tube digestif : les fibres.

1. Généralités - définitions

L'organisme animal est composé à 96 % :

• d'oxygène ;
• de carbone ;
• d'hydrogène ;
• d'azote.

Le reste est constitué de :

• soufre, chlore, phosphore, calcium, magnésium, sodium et potassium représentent eux moins de 4% du poids total ;
• des oligoéléments (iode, fluor, fer, cuivre...) sont également indispensables, Mais, en infime quantité (moins de 0,1%).

Le premier élément vital est l'eau.

Les acides aminés, les lipides et les glucides vont eux servir à la construction des cellules (notamment la membrane plasmique).

2. L'atome

L'atome est la plus petite unité de matière, formé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons.

C'est un ensemble électriquement neutre dont la taille est proche 10-10 mètres de vide.

Le noyau est constitué :

• De protons (p), porteurs d'une charge positive
• 1 charge positive par proton ;
• De neutrons (n), particules de charge neutre :
• n + p = A = nombre de masse.

Le noyau est donc chargé positivement.

Les électrons sont :

• Porteurs d'une charge négative,
• entourent le noyau,
• dans un atome,
• le nombre d'électrons correspond à "Z"  (= numéro atomique),
• égal au nombre de protons,
• électriquement neutre ;
• disposition " autour " des atomes ;
• " couches électroniques ", " nuage électronique " ;
• l'ensemble = cortège électronique ;
• la dernière couche explique les propriétés chimiques. Elle s'appelle la couche de valence (ou couche périphérique) d'un atome, elle est la plus éloignée du noyau. Ce sont les électrons de la couche de valence, appelés électrons de valence, qui interviennent dans les liaisons chimiques.

Représentation symbolique :

X = symbole chimique = nom

• lié au numéro atomique ;
• lié au nombre d'électrons Z ;
• même nombre de protons ;
• donc neutrons = A – z ;
• même Z Mais, A différents ;
• isotopes ;
• mêmes propriétés chimiques ;

Classification périodique :

• par numéros atomiques croissants ;
• par propriétés chimiques.

Classification périodique des éléments

A la base du concept de mole :
[Mole = quantité de matière (mol.)]

• nombre d'atomes de carbone contenus dans 12 grammes de 12 C ;
• ~ 6.1023 atomes (N, nombre d'Avogadro) ;

Masse molaire d'un élément chimique

• Masse de 6.1023 atomes ;
• en première intention, proche de A ;
• g.mol-1.

3. La molécule

La molécule est une association d'atomes, qui se fait par mise en commun ou cession d'électrons.

La molécule est plus stable qu'un atome grâce :

• aux liaisons covalentes.
• elle favorise la mise en commun d'une paire d'électrons.
• le carbone à quatre liaisons, l'oxygène à deux liaisons, l'hydrogène une liaison etc.
• le nombre de liaisons possibles dépend du nombre d'électrons disponibles qui se trouvent sur la couche extérieure du noyau.
• à la ionisation. Un ion est un atome ou un groupe d' atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons

Pour rappel, les anions sont négatifs alors que les cations sont positifs.

Par exemple, le magnésium : il a deux électrons libres sur la couche externe du noyau. Il va céder les deux électrons du bord, le noyau aura 12 protons (+) et il ne restera que 10 électrons (-) après la cession donc: (+12) + (-10) = +2 d'ou Mg ²+

Quelques éléments chimiques constituant le vivant.

• le carbone (C):
  • quatre liaisons chimiques ;
  • il construit des molécules du vivant ;
  • il peut se lier avec lui-même ou avec la plupart des autres molécules.
• l'oxygène (O):
  • deux liaisons chimiques.
• l'hydrogène (H.) :
  • une liaison chimique ;
  • c'est l'élément le plus associé au carbone.
• l'azote (N.) :
  • trois liaisons chimiques ;
  • c'est un des constituants des protéines et des acides nucléiques (ADN, ARN etc.).
• le soufre (S.) :
  • deux liaisons chimiques ;
  • il entre dans la composition d'insuline.
• le phosphore (P.) :
  • trois ou cinq liaisons chimiques ;
  • il rentre dans la constitution de molécules énergétiques comme l'ATP.

3 1. Molécule organique / molécule inorganique

Une molécule organique contient du carbone, et est produite par un organisme vivant (végétal ou animal).

Exemple : glucides, protéines, lipides....

Les petites molécules organiques peuvent ensuite s'associer en des molécules plus grosses ou se dissocier par l'entremise de deux réactions (synthèse et dégradation).

Ces réactions sont possibles grâce à l'action des enzymes qui vont couper ou assembler les molécules.

Une molécule inorganique ou minérale ne contient pas d'atomes de carbone : sels minéraux, oligo-éléments.

4. L'eau : principal constituant de la matière vivante

L'eau est composée de 2 atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène et a une structure de triangle isocèle.

Elle est " polaire " ou polarisée car :

• O est électronégatif (électrons libres) ;
• H est électropositif ;
• les atomes d' H vont pouvoir établir des liaisons hydrogène avec des molécules biologiques également polaires par leur fonctions :
• alcool –OH ;
• Acide –COOH ;
• Aldéhyde –CHO ;
• Cétone C=O ;
• Amine -NH2.

L'eau est donc un solvant, capable de dissoudre des substances appelées solutés.

L'oxygène, étant plus électronégatif que l'hydrogène, attire davantage les électrons vers lui.

Le nuage électronique est déformé et son centre ne coïncide plus avec le centre de la molécule.

Les liaisons hydrogène se rompent et se reforment constamment.

4.1. L'eau de l'organisme

L'eau est quantitativement le composant le plus abondant de la matière vivante.

Elle représente 55 à 65 % du poids total de l'organisme humain et reste variable selon l'âge et le sexe :

• embryon 97% ;
• nourrisson 70% ;
• adulte 60-65% ;
• sujet âgé 45% ;

Variable selon les tissus :

• muscle 83% ;
• os 22%.

Elle se répartit dans différents compartiments hydriques :

• le compartiment intra-cellulaire pour environ 40 % (sur 60% du poids corporel total) ;
• le compartiment extra-cellulaire pour environ 20% (sur 60% du poids corporel total) constituant par lymphe et plasma ;

Chaque compartiment est une solution de solutés (Na+, K+, Cl-, glucose, urée...) dans de l'eau pure.

Dans l'eau, il existe de nombreux composés sous forme ionisée (Na+, K+, Cl-...).

Dans chaque compartiment, la quantité de solutés (osmoles) est identique, mais leur nature est différente.

Ex : [K+] très élevée dans la cellule, basse dans le plasma.

Ex : [Na+] basse dans la cellule, élevée dans le plasma.

Les deux compartiments intra et extra cellulaires sont séparés par une membrane semi perméable (parois des cellules, parois des vaisseaux...).

Cette membrane permet les mouvements passifs de l'eau d'un compartiment à l'autre :

• moins concentré vers plus concentré ;
• toute variation de concentration d'un soluté dans un des 2 compartiments entraîne un mouvement d'eau pour maintenir une osmolalité identique de part et d'autre.

La membrane cellulaire est semi-perméable : elle est perméable à l'eau :

• diffusion de l'eau du secteur le moins concentré vers le plus concentré.

4.2. Le bilan hydrique et sa régulation

4.2.1. Le bilan hydrique

Il permet d'évaluer avec précision les apports liquidiens de l'organisme et les pertes liquidiennes sur 24 heures.

Entrées : ~ 2,5 L/jour :

• boissons : 1,2 L ;
• aliments : 1 L ;
• eau métabolique : 0,3 L.

Sorties : ~ 2,5 L/jour :

• urines : 1,5 L ;
• selles : 0,1 L ;
• sueur : 0,5 L ;
• respiration : 0,4 L.

4.2.2. Régulation du bilan hydrique

La régulation peut se faire par :

4.2.2.1. La soif

• mécanisme de défense permettant d'augmenter l'ingestion d'eau en réponse à un déficit de liquide de l'organisme ;
• facteurs de stimulation :
• volo-recepteurs ;
• baro-recepteurs ;
• osmo-recepteurs ;
• mécanisme tardif !!!

Attention aux populations fragiles :

• bébés ;
• patients âgés ;
• patients inconscients...

Intoxication à l'eau

• dilution en excès du plasma : hypotonique ;
• GR turgescents => hémolyse ;
• œdème cérébral => troubles de la conscience, convulsion => mort (causes : potomanie, traitement au Lithium)

4.2.2.2. Les hormones

• régulation des sorties d'eau :
• l'hormone antidiurétique augmente la réabsorption d'eau pure au niveau du rein ;
• l'aldostérone augmente la réabsorption active de Na+ (et d'eau) au niveau du rein et de l'intestin ;
• ces mécanismes hormonaux sont activés en réponse à une hypovolémie, hypotension...

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