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Cours ifsi - Biologie fondamentale - les molécules du vivant (partie 2)

Publié le 13/08/2023

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 !

I. L'oxygène (dioxygène : O2)

I 1. Généralités

Gaz inodore et incolore, il représente 21 % des gaz constituant l'air.

Il est indispensable à toutes les cellules de l'organisme. En effet les cellules consomment de l'O2 (respiration cellulaire) afin de produire de l'énergie.

La pression partielle en O2 (PO2) diminue avec l'altitude.

1 2. La ventilation pulmonaire

Les échanges gazeux s'effectuent au niveau des alvéoles pulmonaires des poumons. L'oxygène traverse la paroi alvéolaire selon un gradient de pression et rejoint alors la circulation sanguine

1 3. Transport de l'O2 par le sang

L'O2 est transporté jusqu'aux cellules par l'hémoglobine des hématies (98%) et pour une faible part en O2 dissous (2%). L'hémoglobine est une protéine constituée de 4 chaînes de globine et d'un groupement non protéique : l'hème qui porte en son centre un atome de Fer+.

Au passage des alvéoles pulmonaires, l'hémoglobine se sature en O2 (oxyhémoglobine). Une molécule d'O2 se fixe sur chaque ion ferreux. L'hémoglobine libère son O2 au niveau de la cellule et repasse à sa forme désoxygénée (désoxyhémoglobine).

1 4. Quelques pathologies

Hypoxémie : diminution de la quantité d'O2 dans le sang.

Hypoxie : diminution de l'apport d'O2 aux cellules.

Anoxie : diminution très importante de l'apport d'O2 aux tissus :

souffrance cellulaire, ischémie, infarctus....
adaptation : polypnée, tachycardie.

Incapacité à fixer O2 : méthémoglobine (congénitale ou acquise : intoxication par nitrites, nitrates, anesthésiques locaux, monoxyde d'azote NO...)

2. Le dioxyde de carbone CO2

Le métabolisme cellulaire consomme de l'O2 et, à l'inverse, produit du CO2. Ce CO2 est également transporté pour 25% par l'hémoglobine et le reste par les bicarbonates.

Sur l'hémoglobine, il se fixe au niveau des fonctions amines des chaînes de globines, et facilite ainsi la libération de l'O2 aux cellules.

3. Le monoxyde de carbone CO

Gaz incolore, inodore, mortel.

Libéré lors des combustions incomplètes, il se fixe à la place de l'O2 sur le site du fer ferreux (Fe2+) de l'hème empêchant alors l'O2 de se fixer sur l'hémoglobine. Il y alors "anoxie cellulaire", entrainant des céphalées, nausées, coma voire dans certains cas le décès.

Le traitement consiste à placer la personne en caisson hyperbare (O2 pur à pression supérieure à la pression atmosphérique).

4. La respiration cellulaire

Les cellules utilisent l'oxygène apporté par l'hémoglobine pour aboutir à la production d'énergie par un mécanisme appelé " oxydo-réduction ". Une réaction d'oxydo-réduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons.

L'espèce chimique qui capte les électrons est appelée " oxydant " ; celle qui les cède, " réducteur ".

L'oxygène y joue ainsi le rôle d'un comburant, c'est-à-dire un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Les carburants sont le glucose, les acides gras, et les protéines.

Ces réactions biochimiques qui constituent le métabolisme cellulaire ont lieu dans le cytoplasme ou dans les mitochondries. Certaines réactions aboutissent à une libération de l'énergie sous forme d'adénosine tri-phosphate ATP. Cette substance, très énergétique sert de " pile électrique " pour des pompes, des réactions enzymatiques.

En coupant ses liaisons et catalysée par ATPase, l'ATP va fournir de l'énergie à la cellule sous forme ADP + Pi. L'ATP consommé doit être régénéré à partir d'ADP + Pi.

Cette régénération est rendue possible par la dégradation de " carburants " :

Si le carburant est du glucose, on parle de glycolyse ;
Si le carburant est un acide gras, on parle de bêta-oxydation.

5. L'azote N

L'air contient 79% de diazote N2.

Il entre dans la composition de nombreuses molécules organiques :

Acides aminés ;
Acides nucléiques (ADN et ARN) ;
Certains lipides (phospholipides).

Le monoxyde d'azote NO (gaz) est synthétisé à partir d'Arginine et est le second messager chimique (vasodilatateur). Il est inhalé pour réduire l'hypertension artérielle pulmonaire.

L'ammoniac NH3 : gaz incolore très odorant et irritant.

L'ammoniaque NH4OH ou NH4+ : en solution aqueuse

Dans les cellules hépatiques, la désamination des acides aminés libère - NH2 qui est toxique et est éliminé sous forme d'urée, déchet azoté éliminé par les urines.

L'hyperammoniémie est une pathologie caractérisé par l'augmentation du taux d'ammoniaque intestinal dans le sang par carence d'élimination hépatique (cas des cirrhoses du foie, par exemple).

6. Les minéraux

6 1. Le sodium

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 sels, contrairement aux fruits et légumes frais qui en contiennent très peu (sauf blettes, céleri branche, céleri rave, épinards).

En solution, le sodium est ionisé = Na+ et est le principal cation extracellulaire.

Dans le plasma, la concentration normale de sodium se situe entre 135 et 145 mmol/L et dans la cellule à 14 mmol/L.

Il a un rôle majeur dans la régulation du bilan hydrique.

6 2. Le potassium

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.

En solution, le potassium est ionisé = K+ et est le principal cation intracellulaire.

Dans le plasma, la concentration normale de potassium se situe entre 3,5 et 4,5 mmol/L et dans la cellule à 140 mmol/L.

Il a un rôle capital dans la contraction musculaire et cardiaque et en cas d'hyperkaliémie sévère, cela entraine des troubles du rythme, voire un arrêt cardiaque.

6 3. Le chlore

En solution, le chlore est ionisé = Cl-

C'est un anion principalement extra-cellulaire.

Dans le plasma, la concentration normale de chlore se situe entre 95 et 105 mmol/L et dans la cellule de 14 mmol/L.

Il intervient dans la régulation du bilan hydrique.

6 4. L'homéostasie

Tous ces ions participent activement à l'homéostasie qui est le maintien d'un état stable, compatible avec la vie.

L'homéostasie est donc un processus physiologique permettant de maintenir certaines constantes du milieu intérieur de l'organisme (ensemble des liquides de l'organisme) nécessaires à son bon fonctionnement (entre les limites des valeurs normales).

L'absorption et l'élimination sont en permanence régulées afin de maintenir les concentrations constantes.

Ces régulations peuvent s'effectuer à plusieurs endroits :

Au niveau de la cellule, l'équilibre des ions Na+ K+ Cl- entre milieu intra et extra cellulaire est assuré essentiellement :
- Par des pompes Na+/K+ ATPase, faisant entrer du K+ dans la cellule et l'échangeant contre un Na+ ;
- Par des canaux ioniques, qui font sortir du K+ et rentrer du Na+.
Au niveau du rein, le sang est filtré en permanence circulant à travers des 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 alors réabsorbés. La réabsorption de Na+ et de Cl- à lieu dans le tube contourné proximal (échange Na+ contre H+ ou K+) dans l'anse de Henlé ( réabsorbtion du Na+ K+ et Cl-) et dans le tube contourné distal et tube collecteur (Réabsorption active de Na+ et Cl- et sécrétion de K+).

A noter que l'aldostérone (produite par les glandes surrénales) stimule aussi la réabsorption rénale du Na+ (et donc d'eau) en cas d'hypovolémie ou d'hypotension.
Au niveau de l'intestin. Du côté basolatéral (vaisseaux) Na+ est activement rejeté dans la circulation pour maintenir une concentration basse de Na+ intracellulaire (pompe Na+/K+ ATPase) créant un flux de Na+ de la lumière vers l'entérocyte. L'eau suit le mouvement du Na+. Ce flux d'eau et de Na+ est accompagné du transport de glucose, acides aminés, vitamines.

L'aldostérone stimule également l'absorption intestinale du Na+ (et donc d'eau). Dans l'intestin, l'absorption intracellulaire du K+ est stimulée aussi par l'aldostérone. Le potassium est sécrété dans l'iléon et le colon. Au cours des diarrhées, une importante quantité de potassium est perdue

6 5. Le calcium et le phosphore Ca et P

6 5 1. Le calcium

En solution, le calcium est ionisé = Ca2+

Il a pour rôles :

Constituant de l'os (avec le phosphore) ;
Coagulation du sang ;
Contraction musculaire ;
Conduction du signal dans la synapse (contact entre neurones) pour la libération des neurotransmetteurs.

6 5.2. Le phosphore

En solution, le phosphore est ionisé = PO43-

Il a pour rôles :

Constituant des phospholipides, nucléotides ;
Constituant de l'os (avec le calcium) ;
Substance tampon du sang (avec les protéines et les bicarbonates) amenant le pH sanguin artériel entre 7,35 et 7,45 ;
Phosphorylation des protéines (groupement phosphate provenant de l'ATP), mécanisme réversible de régulation de l'activité de certaines protéines.

6 5 3. Le métabolisme phospho-calcique

La PTH (parathormone ou hormone parathyroïdienne) est une hormone peptidique, hypercalcémiante, sécrétée par les glandes parathyroïdes. Elle joue un rôle clé dans la régulation du métabolisme phospho-calcique, de concert avec le 1,25-dihydroxycholécalciférol qui est la forme active de la vitamine D).

Elle entraîne plusieurs effets au niveau de l'os, du duodénum et du rein.

Au niveau du rein :

stimulation de la transformation de la vitamine D en 1,25-dihydroxycholécalciférol, induisant une augmentation de l'absorption intestinale de calcium ;
stimulation de la réabsorption rénale de calcium ;
inhibition de la réabsorption rénale de phosphate.

Le dernier effet s'explique par le fait qu'il empêche une augmentation de la concentration de phosphate suite à la résorption osseuse qui retarderait la libération de calcium par l'os.

Au niveau de l'os : la PTH favorise l'ostéolyse, ce qui permet la libération de Ca dans le sang.

Les cellules cibles de la PTH dans l'os sont les monocytes sanguins (macrophages), précurseurs des ostéoclastes :