Cours biologie chap1 théorie cellulaire

CHAPITRE 1

La cellule 1. Conception ancienne et moderne de la vie 2. La théorie cellulaire 3. Taille des cellules 4. Chimie organique 5. Les molécules du vivant 6. Les glucides (ou sucres ou hydrates de carbone) 6.1 Monosaccharides : glucose, fructose et galactose 6.2 Disaccharides : sucrose, lactose et maltose 6.3 Polysaccharides : amidon, glycogène et cellulose 6.4 Digestion des glucides 7. Les protéines 7.1 Structure chimique 7.2 Rôle dans la cellule 7.3 Les enzymes 7.4 Protéines et alimentation 7.5 Protéines et maladies héréditaires 8. Les lipides 9. Les vitamines et les minéraux 9.1 Les vitamines 9.2 Les minéraux 10. Les niveaux d’organisation de la matière 11. Le liquide interstitiel 12. La membrane cellulaire 12.1 Structure chimique 12.2 Rôle de la membrane

Chapitre 2

13. Le transport membranaire 13.1 Transport passif • Diffusion simple • Diffusion facilitée • Osmose 13.2 Transport actif 13.3 Transport en vrac 14. Reticulum endoplasmique et appareil de Golgi 15 La mitochondrie et métabolisme énergétique 15.1 Structure 15.2 Production d’énergie par respiration 15.3 Le transport de l'énergie dans la cellule 16. Le noyau 17. Les chloroplastes et la photosynthèse

« Il y a plus de choses dans le ciel et sur terre, Horatio, que ta philosophie n’en pourrait concevoir » Shakespeare, Hamlet

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Les molécules de la vie

Objectifs À la fin de ce module vous serez en mesure de : 1. Discuter de la conception moderne matérialiste de la vie par rapport aux conceptions anciennes vitalistes.

2. Expliquer la théorie cellulaire.

3. Expliquer en quoi la théorie cellulaire a bouleversé la notion du vivant à l’époque où elle a été émise.

4. Énoncez, en µm et mm, la taille des cellules humaines.

5. Expliquer pourquoi la vie ne pourrait probablement pas exister sans le carbone.

6. Énoncer les principales différences entre cellules procaryotes et cellules eucaryotes.

7. Énoncer les principaux monosaccharides, disaccharides et polysaccharides présents dans nos aliments.

8. Énoncer la formule chimique du glucose.

9. Décrire la structure moléculaire des principaux glucides présents dans nos aliments (donner des exemples d’aliments contenant ces sucres).

10. Expliquer ce qu’on entend par sucres à assimilation rapide et sucres à assimilation lente.

11. Expliquer comment le glycogène contribue à la régulation du taux de glucose sanguin.

12. Expliquer comment les glucides sont modifiés par le système digestif.

13. Expliquer le phénomène d’intolérance au lactose qu’on rencontre chez certaines personnes.

14. Décrire la structure moléculaire des protéines.

15. Expliquer l’importance des protéines dans le fonctionnement de l’organisme (rôle des protéines et exemples).

16. Expliquer l’importance des enzymes dans le fonctionnement de la cellule.

17. Expliquer ce qu’est la dénaturation d’une enzyme.

18. Expliquer le rôle du système digestif dans l’assimilation des acides aminés.

19. Expliquer ce qu’est la complémentarité des protéines.

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Chapitre 2

20. Énoncer les conséquences d’une alimentation carencée en protéines et d’une alimentation trop riche en protéines.

21. Expliquer ce que sont les maladies héréditaires.

22. Énoncer les deux grands types de lipides et en donner des exemples.

23. Expliquer ce qu’est une vitamine.

24. Énoncer quelles sont les vitamines liposolubles et les vitamines hydrosolubles. Expliquer l’importance de cette distinction en alimentation.

25. Expliquer ce qu’on entend, en biologie, par niveaux d’organisation de la matière.

26. Expliquer ce qu’est le liquide interstitiel et comment il se forme.

27. Énoncer les principales différences entre la cellule végétale et la cellule animale.

28. Décrire la structure moléculaire de la membrane cellulaire.

29. Expliquer la cause moléculaire du phénomène de rejet lors d’une greffe.

30. Expliquer la diffusion, la diffusion facilitée et l’osmose. En donner des exemples.

31. Définir les termes : milieu hypertonique, hypotonique et isotonique.

32. Énoncer les principales caractéristiques du transport actif.

33. Décrire le processus de l’endocytose, de la phagocytose et de l’exocytose.

34. Décrire la structure et énoncer le rôle du reticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi.

35. Décrire la structure de la mitochondrie et en expliquer la fonction dans la cellule.

36. Expliquer comment l'ATP sert de transporteur d'énergie dans la cellule.

37. Expliquer ce qu’est la respiration cellulaire et en énoncer l’équation globale.

38. Énoncer les valeurs énergétiques respectives des glucides, protides et lipides.

39. Décrire la structure du noyau.

40. Décrire la structure des chloroplastes.

41. Expliquer les échanges énergétiques impliqués dans la photosynthèse.

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1 CONCEPTION ANCIENNE ET CONCEPTION MODERNE

"Tout ce qui est généralement commun aux végétaux et aux animaux comme toutes les facultés qui sont propres à chacun de ces êtres sans exception, doit constituer l'unique et vaste objet d'une science particulière qui n'est pas encore fondée, qui n'a même pas de nom, et à laquelle je donnerai le nom de biologie."

Jean-Baptiste Monet chevalier de Lamarck (1744-1829) Lamarck (1744-1829)

La biologie, la science étudiant le phénomène du vivant, est une science relativement jeune. Ce n'est, en effet, qu'au début de ce siècle que l'on a commencé à avoir une petite idée de ce qu'est un être vivant. Et encore, il faudra attendre les années 50 pour que cette science fasse de véritables progrès. Pourtant, on se posait des questions sur le phénomène du vivant depuis les débuts de l'humanité.

Mais sans les outils indispensables apportés par la physique (que l'on pense au microscope) et surtout par la chimie (techniques d'analyse et d'identification des composés chimiques) la biologie ne pouvait progresser qu'en anatomie et en sciences naturelles. Pour le reste, on s'en remettait à des opinions philosophiques datant d'aussi loin qu'Aristote.

Chapitre 1

Selon Aristote (~384 - ~322), la vie résulte de la rencontre entre un principe passif, la matière, inerte et informe et un principe actif, l'âme qui imprime à la matière son organisation complexe, son mouvement, son énergie, sa vitalité.

Dans les siècles qui suivront, cette conception de la vie connaîtra plusieurs variantes que l'on peut regrouper sous le nom de théorie vitaliste (ou vitalisme). La théorie vitaliste se caractérise par la croyance en une entité immatérielle (ou spirituelle), une force vitale qui animerait les êtres vivants.

Aristote

Les découvertes scientifiques qui se succéderont à partir du milieu du XIXe siècle conduiront à l’abandon complet de cette théorie. Il est maintenant clairement établi que les différents phénomènes associés à la vie obéissent aux mêmes lois et forces qui régissent le reste de l'univers. Il n'est nullement nécessaire de faire appel à une mystérieuse énergie vitale pour expliquer la vie, on peut très bien l’expliquer en faisant uniquement appel aux lois de la chimie et la physique.

La conception moderne de la biologie est totalement matérialiste, elle ne fait appel à aucune force ou énergie immatérielle. Pour la biologie moderne, un être vivant est un assemblage très complexe de molécules interagissant entre elles selon les lois de la physique et de la chimie qui s'appliquent à toute matière. On peut aujourd’hui expliquer le phénomène du vivant sans faire appel à aucune force mystérieuse. Vous ne verrez jamais, dans aucun manuel de biologie, une explication faisant appel à l’énergie vitale ou à un quelconque fluide vital.

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Pourtant, encore aujourd'hui, de nombreuses personnes ont une conception vitaliste de la vie. Cette idée est particulièrement répandue dans le milieu des médecines douces. L'âme d'Aristote, devenue fluide vital, énergie vitale, chi, mana, orgone, prana ou kundalini selon la religion thérapeutique qu’on adopte serait l'agent responsable de la vie, de la santé et de la maladie. La santé s'expliquerait par une circulation harmonieuse de l'énergie vitale alors que la maladie serait due à une mauvaise circulation ou à une perte de cette énergie. Pourtant cette notion d’énergie vitale est un concept totalement dépourvu de toute base scientifique. La confiance en des pratiques médicales basées sur cette théorie abandonnée depuis longtemps par la science tient plus de l'acte de foi que de la raison.

La cellule

2 LA THÉORIE CELLULAIRE Une des premières découvertes importantes en biologie passa à peu près inaperçue à l'époque où on la fit.

En 1665, Robert Hooke, utilisant un nouvel instrument d'optique, le microscope, eut l'idée d'observer une fine coupe d'un bouchon de liège (le liège est l'écorce d'un chêne européen).

Hooke nomma cellules ces petites structures vides formant le liège.

Plus tard, en observant d’autres échantillons, animaux ou végétaux, on constata que la matière vivante est toujours ainsi divisée en cellules juxtaposées. Ce que Hooke avait cru être un cas particulier pour le liège s’avéra être la norme pour tous les tissus vivants. Quel que soit le tissu, animal ou végétal, on observe toujours qu'il est formé par la réunion de nombreuses cellules.

De plus, contrairement au liège, un tissu mort dont les cellules sont vides, les cellules des tissus frais montraient une organisation interne complexe. Chaque cellule possède des organites (petits organes) dont les plus petits sont assez difficiles à discerner au microscope optique. La plupart de ces organites sont présents dans toutes les cellules, peu importe d'où vient la cellule, d'un humain, d'un moustique ou d'un érable. Bref, même si elles proviennent d'organismes très différents les uns des autres, les cellules se ressemblent beaucoup.

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Chapitre 1

Cellules adipeuses

Coupe de tissu adipeux

Tissu musculaire

Coupe de la racine d’une plante aquatique Épithélium tapissant la bouche, le nez et l’œsophage

Coupe d’une feuille d’arbre

Neurones (cellules nerveuses)

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La cellule

On se rendit également compte que les cellules pouvaient se reproduire. Dans les conditions appropriées, une cellule, même isolée du tissu d'où elle provient, peut se nourrir, respirer, s'entretenir, se reproduire. Chaque cellule est un être vivant à part entière.

Vers 1839, le monde scientifique admit ce qu'on allait appeler la théorie cellulaire :

La cellule est l'unité structurale et fonctionnelle de tous les êtres vivants.

C'est-à-dire : On peut cultiver des cellules en milieu artificiel. Même séparée de l’organisme, une cellule peut continuer à vivre et à se reproduire si on lui fournit tous les éléments dont elle a besoin (eau, nourriture, oxygène, etc.).

Chaque cellule de notre corps est un être vivant à part entière.

•

Tous les êtres vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules.

•

La cellule est la plus petite unité possédant les caractéristiques du vivant.

•

Toute cellule provient de la division d’une autre cellule. « Omnis cellula e cellula » (Rudolph Virchow, 1858)

Chaque cellule est un être vivant complet; une cellule peut : • • • • • •

Absorber et transformer de la nourriture Respirer Rejeter des déchets Sécréter des substances qu’elle fabrique Se reproduire Se réparer si elle est endommagée

Chaque cellule est vivante. Par contre, si on coupe une cellule en morceaux, on n'obtiendra qu'un mélange bientôt inerte de composés chimiques, rien de vivant.

Certains êtres vivants ne sont faits que d'une seule cellule alors que d'autres en contiennent des milliers de milliards.

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Chapitre 1

Vacuole

Nucléole

Appareil de Golgi

Mitochondrie

Noyau

Gilles Bourbonnais

Réticulum endoplasmique

Membrane cellulaire

La cellule (très simplifiée)

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La cellule

La théorie cellulaire, à l’époque où on l’énonça, révolutionna l’idée qu’on avait toujours eue de la vie jusque là. En admettant cette théorie, les biologistes devaient admettre trois concepts tout à fait nouveaux pour l’époque: 1. Unité du vivant: les êtres vivants se ressemblent beaucoup plus qu’on ne le croyait; l’homme n’est pas si différent des animaux et même des plantes.

2. Homéostasie: la survie et la santé de l’individu correspondent à son aptitude à assurer un milieu de vie favorable à ses cellules.

3. Il n’y a pas vraiment de limite définie entre la vie et la mort.

1. Unité du vivant: Non seulement tous les êtres vivants sont formés de cellules, mais en plus, d’un être vivant à un autre, les cellules sont très semblables. Il y a peu de différences, par exemple, entre les neurones (ce sont les cellules formant le système nerveux) d’un moustique et ceux d’un humain. De même, on ne peut discerner, au microscope, les cellules du foie d’un humain, de celles d’un chat ou même d’un poisson. Même si elles peuvent avoir des formes et des tailles différentes, les cellules possèdent toutes la même structure de base, elles sont formées des mêmes organites (les organites, ce sont les petites structures que l'on peut observer à l'intérieur des cellules): membrane, noyau, vacuoles, ribosomes, reticulum endoplasmique, etc.

On peut voir le monde vivant comme un gigantesque jeu de Lego. À partir de quelques types de briques élémentaires, les différents types de cellules, on peut construire une variété infinie de formes vivantes.

De plus, on a découvert, par la suite, que le mode de fonctionnement des cellules, l’ensemble des réactions chimiques s’y déroulant, était sensiblement le même, peu importe le type de cellule. Il n’y a pas tant de différences entre une cellule de tomate et une cellule humaine. Un très grand nombre de réactions chimi-

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Chapitre 1

ques se déroulant dans l’une se déroulent aussi dans l’autre.

C’est ainsi, que fréquemment, une découverte faite à partir de l’étude des cellules d’un organisme particulier, fut-il aussi simple qu’une cellule de levure, peut s’appliquer à tous les autres êtres vivants.

Les levures sont des champignons unicellulaires utilisés pour fermenter le sucre en alcool.

2. Homéostasie: Il suffit d’avoir déjà tenté de cultiver des cellules en milieu artificiel pour se rendre compte combien leur survie est fragile. Un peu trop de ceci ou pas assez de cela dans le milieu de culture et les cellules meurent soudainement.

Une cellule ne peut survivre que si elle baigne dans un liquide présentant des caractéristiques physico-chimiques qui répondent exactement à ses besoins.

Il en est de même à l’intérieur de l’organisme. Les cellules doivent baigner dans un milieu stable qui leur apporte tout ce dont elles ont besoin. On pourrait définir la physiologie humaine comme l’étude des mécanismes permettant d’assurer aux cellules un milieu de vie stable.

On appelle « homéostasie » cette stabilité du milieu interne que parviennent à maintenir les êtres vivants.

Remarquez que l’homéostasie correspond à un équilibre dynamique. Par leur activité, les cellules modifient continuellement leur milieu en y puisant des éléments et en y rejetant des déchets.

Ce milieu change également selon la nourriture absorbée et le milieu dans lequel on se trouve (désert torride ou froide journée d’hiver, par exemple). Les différents systèmes doivent donc continuellement réagir afin de rétablir l’équilibre sans cesse perturbé. Le maintien de l’homéostasie est un continuel combat qui ne doit jamais cesser.

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Caractéristiques physico-chimiques, c’est-à-dire l’ensemble des caractéristiques physiques (température, viscosité, etc.) et chimiques (pH, salinité, concentration en oxygène, en déchets, etc.) du milieu.

La teneur en sucre du liquide baignant les cellules, par exemple, doit demeurer rigoureusement stable, Trop ou pas assez de sucre pourrait perturber le fonctionnement des cellules et même les tuer. Comme nous le verrons plus loin dans ce cours, il existe des mécanismes physiologiques permettant de maintenir stable cette teneur en sucre.

Que l’on jeûne depuis plusieurs jours ou que l’on vienne de manger un plein pot de miel, le taux de sucre demeurera sensiblement le même.

La cellule

Avec la théorie cellulaire, la notion de maladie prit une toute nouvelle signification. Désormais, on considérera la maladie comme un défaut de l’homéostasie. Et c’est le bon fonctionnement de chacune des cellules de l’organisme qui permet de maintenir cette homéostasie essentielle à la survie de chacune d’entre elles.

3. Il n’y a pas de limite définie entre la vie et la mort :

Il est difficile d’estimer le nombre de cellules formant un organisme humain. Selon les plus récentes estimations, l’organisme serait constitué de 50 000 à 100 000 milliards de cellules.

Un être humain est en fait une colonie de plusieurs milliers de milliards de cellules.

Mais, puisque chacune de nos cellules est un être vivant à part entière, à partir de quel moment peut-on affirmer qu’une personne est morte? Doit-on attendre que la dernière cellule soit morte avant de signer l’acte de décès? Un homme à qui on vient de couper la tête est-il encore vivant? Pourtant, ses cheveux et ses ongles continuent à pousser, plusieurs de ses cellules musculaires se contractent encore, les cellules de sa peau survivent encore en respirant le peu d’oxygène présent dans le liquide qui les entoure, etc.

Bref, il faut bien se rendre à l’évidence, il n’existe pas de frontière bien définie entre la vie et la mort. Et c’est là tout le problème éthique que posent des actes comme l’euthanasie ou, pour commencer à l’autre bout de la vie, l’avortement. À partir de quel moment y a-t-il vie et à partir de quel moment il n’y en a plus?

Et le problème est le même au niveau de chacune des cellules. À partir de quel moment peut-on affirmer qu’une cellule est morte?

Une cellule privée des éléments nécessaires à sa survie ne meurt pas d’un seul coup comme cela. Son activité se ralentit peu à peu, ses structures se dégradent progressivement jusqu’à ce qu’on obtienne un mélange plutôt inerte de composés chimiques.

Mais, à quel moment précisément est-elle morte ? Essayer de définir ce moment est aussi vain que d’essayer de définir une frontière bien précise entre la jeunesse et la vieillesse par exemple.

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Chapitre 1

Vous verrez que souvent en biologie, on passe de façon très progressive d’un état à un autre, il y a rarement de frontière fixe.

Légalement, il a bien pourtant fallu définir une frontière. À une certaine époque, c’était l’arrêt cardiaque. Si le coeur ne bat plus c’est qu’on est mort. Ces dernières années, par contre, on a appris à repartir un coeur arrêté. Il a donc fallu trouver un autre critère. Actuellement, la mort est légalement définie par l’absence d’activité électrique des neurones du cerveau. Cette activité électrique peut être mise en évidence à l’aide de petites électrodes enregistreuses qu’on applique à la surface du cuir chevelu. L’absence d’activité cérébrale résulte en un électroencéphalogramme plat (EEG plat).

Notez bien qu’il s’agit là d’une frontière légale. Moralement, le problème se complique. Peut-on encore qualifier de vivante une personne plongée dans un coma profond et irréversible mais dont le cerveau présenterait encore une faible activité (ces cas existent)? Peut-on arrêter la vie biologique lorsque la qualité de vie s’est dégradée au-delà d’un certain niveau? C’est là un problème qui n’est plus du ressort des biologistes.

En fait, la mort même est un phénomène étrange. En effet, les cellules peuvent continuellement se renouveler. Si une structure se dégrade, la cellule peut, à partir des molécules qu’elle puise dans son milieu, en fabriquer une nouvelle. À cause de ce renouvellement continuel qui se produit dans les cellules, on estime que chaque individu renouvelle la totalité de ses molécules à peu près en sept ans. Il n’y aurait donc pas une seule molécule de votre corps qui y était il y a sept ans.

Si une cellule meurt, une autre cellule peut se reproduire pour la remplacer. À chaque seconde, 50 millions de cellules meurent dans notre organisme. Mais la reproduction cellulaire permet de produire 50 millions d’autres cellules pour les remplacer.

En fait, théoriquement, puisqu’on se renouvelle continuellement, on ne devrait pas vieillir. Mais, pour des raisons qu’on commence à peine à comprendre, les processus permettant aux cellules de se renouveler et de se reproduire se dégradent avec le temps. L’organisme perd progressivement son efficacité à se renouveler, il se dégrade, vieillit et meurt.

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« Tant que la biologie n’avait pas acquis la notion de cellule, elle ne pouvait prétendre qu’à une figuration extrêmement grossière des phénomènes vitaux, quels qu’ils soient. Une pièce maîtresse lui faisait défaut, à quoi ne pouvait suppléer aucune ressource de l’imagination ou du raisonnement .»

Jean Rostand, Esquisse d’une histoire de la biologie

La cellule

3 Cellules procaryotes et cellules eucaryotes Le monde des cellules se divise en deux grands groupes: • Les cellules procaryotes (les bactéries) • Les cellules eucaryotes (toutes les autres cellules)

Le µm (micromètre) est une unité correspondant à un millionième de mètre (ou un millième de millimètre). On utilise aussi le nm (nanomètre) équivalent à un milliardième de mètre (ou un millième de µm).

• Plus petite cellule humaine: spermatozoïde (environ 2 µm sans la queue) • Plus grosse cellule humaine: ovule (environ 100 µm)

Les cellules procaryotes sont généralement beaucoup plus petites que les cellules eucaryotes: • Taille des bactéries : 1 à 3 µm • Taille moyenne des cellules humaines: 20 µm 1 mm = 1 µm = 1 nm =

1/1000 m 1/1000 mm 1/1000 µm

Le pouvoir de résolution de l’œil humain, sa capacité à distinguer des détails, est d’environ 100 µm (à peu près la largeur d’un cheveu). On ne pourrait pas, par exemple, distinguer à l’œil nu, deux points situés à moins de 100 µm l’un de l’autre. Ils apparaîtraient comme un seul point.

Les procaryotes sont tous unicellulaires. Ils sont dépourvus de la plupart des structures présentes dans les cellules eucaryotes.

Les cellules d'un moustique sont-elles plus petites que celles d'une baleine bleue?

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Chapitre 1

Zoom sur une épingle

Grossissement = 50 X À cette échelle, votre taille est d’environ 80 m.

Grossissement = 3000 X À cette échelle, votre taille est de 5 Km. On distingue bien les bactéries.

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Grossissement = 1000 X Les petites taches blanches sont des bactéries. À cette échelle, vous mesureriez 1,7 Km.

Grossissement = 10,000 X À cette échelle, votre taille est de 17 Km. Les bactéries que vous voyez mesurent environ 1 µm de largeur par 3 µm de longueur.

La cellule

4 Chimie organique

Le méthane (CH4) Le méthane est la plus simple des molécules organiques.

Un être vivant comme l'être humain est le résultat de l'assemblage de milliards de cellules. Chacune de ces cellules est elle-même formée d'organites cellulaires (les organites, ce sont les petites structures que l'on peut observer à l'intérieur des cellules). Ces organites sont formés de grosses molécules organiques formées par l'assemblage de molécules organiques plus petites. Enfin, les molécules sont le résultat de l'union des atomes. On comprend donc aisément que pour faire de la biologie, il est essentiel de faire de la chimie, de la chimie organique pour être plus précis.

A l'origine, la chimie organique était l'étude des substances constituant les organismes vivants (par opposition à la chimie minérale qui elle étudiait les substances non vivantes).

Cette séparation de la chimie était due à la croyance que les substances constituant le vivant (substances organiques, des organes quoi!) étaient de nature différente de celles du nonvivant. Ces substances chimiques formées sous l'influence du fluide vital ne devaient donc pas obéir aux lois chimiques s'appliquant au non-vivant. On était ainsi persuadé qu'il était impossible de synthétiser artificiellement une substance organique à partir de réactions impliquant une ou des substances inorganiques. Seuls les êtres vivants, grâce au fluide vital les animant, pouvaient opérer la transformation de la matière inorganique en matière organique.

Mais en 1828, l'allemand Whöler devait stupéfier le monde de la chimie en réussissant en laboratoire la synthèse de l'urée (substance organique présente dans l'urine) à partir de substances inorganiques (ammoniac, gaz naturel et eau).

D'autres expériences devaient par la suite le confirmer, la chimie du vivant ne diffère en rien de la chimie du nonvivant, elle obéit aux mêmes lois chimiques.

Toutes les molécules contenant du carbone, à l'exception de celles qui ne contiennent pas d'hydrogène comme le gaz carbonique (CO2) ou les carbonates, sont considérées comme des molécules organiques.

Comme la majorité des molécules présentes dans les êtres vivants ont une structure de base faite d'atomes de carbone, le terme chimie organique s'appliquera par la suite à l'étude des composés du carbone qu'ils proviennent du monde vivant ou non.

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Chapitre 1

Parmi les 92 éléments chimiques existant sur terre à l'état naturel, la vie, lorsqu'elle s'est formée, n'en a sélectionné que quatre principaux: • • • •

Carbone (C) Hydrogè (H) Oxygène (O) Azote (N)

L'essentiel des molécules formant la matière vivante est formé à partir de ces quatre éléments. On retrouve cependant souvent, en quantités beaucoup plus faibles, d'autres éléments chimiques associés à ces molécules: Ca, K, Si, Mg, S, Al, P, Cl, Fe, Mn, Na, I, Cu, etc.

Constituants atomiques des animaux ÉLÉMENT Oxygène Carbone Hydrogène Azote Calcium

SYMBOLE O C H N Ca

POIDS (%) 62 20 10 3,3 2,5

MASSE ATOMIQUE 16,0 12,0 1,0 14,0 40,0

Phosphore Souffre Potassium Chlore Sodium Magnésium Iode Fer

P S K Cl Na Mg I Fe

1,0 0,25 0,25 0,2 0,1 0,07 0,01 0,01

31,0 32,0 39,0 35,5 23,0 24,5 127,0 56,0

On retrouve également d'autres éléments en quantité infime(l'ensemble de ces éléments appelés oligo-éléments ne forme qu'environ 0,3% de la masse totale de l'animal): Cuivre (Cu), Manganèse (Mn), Molybdène (Mo), Cobalt (Co), Bore (B), Zinc (Zn), Fluor (F), Sélénium (Se), Chrome (Cr)

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La cellule

Chaque atome est caractérisé par (entre autres) sa conformation électronique (disposition des électrons autour du noyau). Cette disposition des électrons autour du noyau détermine les propriétés chimiques de chaque élément chimique et donc le type et le nombre de liaisons que peut faire un atome avec un autre.

Dans le cas de C, H, O, N: • • • •

Carbone: tétravalent (4 liaisons possibles) Hydrogène: monovalent (une seule liaison) Oxygène: bivalent (deux liaisons) Azote: trivalent (trois liaisons)

Exemple: le méthane (CH4), la plus simple des molécules organiques.

OU

Notez les angles entre les liaisons. L'ensemble de la molécule s'inscrit dans un tétraèdre dont les sommets correspondent aux atomes d'hydrogène.

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Chapitre 1

Ex. Le méthanol (alcool méthylique)

H H C O H H ou CH3OH

Ex. L'éthanol (alcool éthylique): H H H C C OH H H

ou CH3 – CH2 – OH On pourrait aussi écrire C2H6O, mais ce ne serait pas nécessairement du méthanol. En effet, cette formule pourrait correspondre à une autre molécule que le méthanol.

C 2 H 6O

C 2 H 6O

H H

H

H C C OH H H CH 3

CH 2 Ethanol

H

H C O C H H

OH

CH 3

H O

CH3

Éther diméthylique

On appelle isomères deux molécules qui sont différentes, mais formées des mêmes atomes.

Le méthanol et l'éther diméthylique sont donc deux isomères.

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Ainsi, avec 40 atomes de carbone et 82 d'hydrogène, on peut théoriquement former 62.5 millions de molécules différentes où chaque molécule a une structure et des propriétés physiques et chimiques différentes de l'autre. Des molécules organiques de cette taille sont très courantes.

La cellule

Les liaisons chimiques peuvent être simples, doubles ou triples.

Ex.

H

H

H C

C

H

H

H

H H

C

C

H

H C

C H

H

Éthane

Éthylène Acétylène

Comme nous l'avons vu, le carbone peut former 4 liaisons simples avec les autres atomes. De plus, et c'est là sa propriété la plus remarquable, il peut se lier à lui-même pour former de longs enchaînements linéaires, ramifiés ou cycliques permettant ainsi la formation d'une très grande variété de molécules.

• linéaire:

C C C C C C C

•

•

ramifié:

cyclique:

C C C C

C C

C C

C

C C

OU

Le benzène C 6 H6

I-21

Chapitre 1

Le carbone peut donc servir de squelette pour former une très grande variété de molécules. Une cellule est une structure très complexe, sa construction et son bon fonctionnement exigent donc un très grand nombre de molécules aux formes et aux propriétés chimiques très diverses.

De tous les éléments chimiques existant dans l'univers, seul le carbone peut servir à construire des molécules suffisamment diversifiées et suffisamment complexes permettant la formation d'un être vivant, si simple et primitif puisse-t-il être.

Si la vie existe ailleurs dans l'univers, elle est probablement, comme la nôtre, basée sur la chimie du carbone.

Même si les molécules formant la matière vivante peuvent être très grosses (des milliers d'atomes par molécule), n'oubliez pas qu'elles sont incroyablement petites par rapport à notre taille ou même par rapport à la taille pourtant microscopique d'une cellule.

Ex.

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Cette figure représente la structure d’une molécule de cocaïne. Elle contient 17 atomes de carbone, 3 d’oxygène, un d’azote et 21 d’hydrogène. Cette molécule est assemblée, à partir de molécules plus petites qui sont combinées entre elles, par les cellules des feuilles de l’arbre à coca poussant en Amérique du Sud. Sa toxicité pour le système nerveux constitue une protection contre les insectes parasites qui s’attaquent aux feuilles de l’arbre. Les cellules de l’arbre peuvent fabriquer des milliers d’autres molécules différentes, beaucoup plus complexes que cellelà, remplissant les diverses fonctions chimiques nécessaires à la survie de la plante.

La cellule

On peut regrouper la grande majorité des molécules formant une cellule en quatre grandes familles: • • •

les glucides (ou sucres ou hydrates de carbone) les lipides (gras et huiles) les protéines

Les sucres et les gras sont d'importantes sources d'énergie alors que les protéines, en plus d’être essentielles comme matériaux de construction, remplissent une foule de fonctions dans la cellule (nous en reparlerons).

Même si les molécules formant la matière vivante peuvent être très grosses (des milliers d'atomes par molécule), n'oubliez pas qu'elles sont incroyablement petites par rapport à notre taille ou même par rapport à la taille pourtant microscopique d'une cellule.

Une pièce de monnaie d'un cent (20 g) contient 200 mille milliards de milliards 23 d'atomes de cuivre (2 x 10 ).

Un petit verre d'eau (180 ml), par exemple, contient 6 millions de milliards de milliards de molécules (6,02 x 24 10 molécules d'H2O).

Un gramme de sucre blanc contient environ 1 750 milliards de milliards de 21 molécules (1.75 x 10 molécules).

Dans une cellule aussi petite qu'une bactérie, on retrouve environ 4 000 milliards de molécules d'eau (70% de la masse de la bactérie) et près d'un milliard de molécules de protéines (environ le tiers du poids sec d'une bactérie est constitué de protéines).

Imaginez une cellule dont la taille serait à peu près celle d’un immeuble de six logements (voir la figure de la page suivante). À cette échelle, vous mesureriez plus de 20 000 Km de hauteur.

Une bactérie mesurerait entre 1 et 2 m (à peu près la taille d’un humain), un virus (c'est un microorganisme minuscule qui parasite les cellules), celle d’une souris et une protéine (c’est une très grosse molécule pouvant renfermer plus d’un millier d’atomes), celle d’un grain de riz. Un atome de carbone ou une molécule d’eau seraient difficilement visibles à l’œil nu.

I-23

Chapitre 1

Cellule humaine (20 µm)

Virus (50 à 100 nm) Bactérie (2 µm)

I-24

Protéine (environ 3 nm)

La cellule

5 Les molécules du vivant

Les électrolytes sont des ions minéraux dissous dans l’eau. + ++ + Ex. Na , Ca , Cl-, K , etc

Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, les substances chimiques organiques formant les cellules des êtres vivants peuvent être regroupées en trois grandes catégories : les glucides (ou hydrates de carbone), les lipides (ou gras) et les protéines. Si on ne tient pas compte de l’eau, ces trois grandes familles constituent ensemble près de 95% de la matière formant la cellule. Le reste de la matière de la cellule est formé de minéraux dissous dans l’eau (on appelle « électrolytes » ces minéraux dissous).

Ces substances ne vous sont d’ailleurs pas étrangères, on les retrouve sur les étiquettes de la plupart des produits alimentaires.

On peut ainsi lire, sur l’étiquette d’une boîte de légumineuses : FAIBLE EN GRAS SOURCE ÉLEVÉE DE FIBRES ALIMENTAIRES INFORMATION NUTRITIONNELLE PAR PORTION DE 125 ml (1/2 TASSE ÉGOUTTÉE) ÉNERGIE PROTÉINES MATIÈRES GRASSES GLUCIDES

132 Cal/550kJ 8.4g 1.0g 23g

INGRÉDIENTS: EAU, POIS CHICHES, HARICOTS ROUGES, HARICOTS ROMAINS, HARICOTS À OEIL NOIR, SEL, CHLORURE DE CALCIUM

Les substances organiques présentes dans les aliments fournissent à l’organisme : • Des matériaux de construction Plusieurs des structures qui se dégradent peuvent être recyclées et utilisées pour fabriquer de nouvelles structures. Mais il y a toujours des pertes, certaines molécules se dégradent au point qu'elles ne peuvent être réutilisées. Les résidus de ces molécules sont alors éliminés par les organes d'élimination.

Les structures vivantes sont complexes et fragiles, elles se dégradent continuellement. Pour se maintenir en vie, un être vivant doit continuellement se réparer, remplacer les structures qui se sont dégradées. C'est pourquoi il doit puiser dans son en-

I-25

Chapitre 1

vironnement les molécules qu'il ne peut fabriquer lui-même.

Tout être vivant se fabrique à partir des aliments qu'il ingère.

• De l’énergie Afin de se maintenir en vie, une cellule doit travailler, elle a donc besoin d’une source d’énergie.

Exemples de travail cellulaire : • Assemblage de grosses molécules à partir de plus petites afin de réparer certaines structures endommagées; • Sécrétion de substances chimiques (des hormones, par exemple); • Absorption, à travers la membrane, de substances essentielles présentes dans le milieu extérieur (ce travail nécessite l’activation de petites pompes spécialisées placées dans la membrane); • Rejet des déchets à l’extérieur; • Mouvement (certaines cellules, comme les cellules musculaires, peuvent bouger); Sans énergie, tout s’arrêterait dans la cellule. Celle-ci se dégraderait de façon irréversible, ce serait la mort.

L’énergie nécessaire à la survie de la cellule est fournie par la respiration. Comme nous le verrons plus en détail plus loin, la respiration est un ensemble de réactions chimiques au cours desquelles certaines matières organiques, comme les sucres et les gras, sont « brûlées » et réduites en substances chimiques simples. Ce processus libère de grandes quantités d’énergie que la cellule peut utiliser.

Notre alimentation est essentiellement composée d’êtres vivants, donc de glucides, de lipides et de protéines. À ces trois grandes familles chimiques, on pourrait aussi ajouter les vitamines et les minéraux, autres substances chimiques présentes dans les aliments (mais généralement en quantités très faibles) qui nous sont essentielles.

I-26

En physique, on définit l’énergie comme la capacité à produire du travail.

La cellule

6 Les glucides (ou hydrates de carbones ou sucres) Les chimistes préfèrent utiliser le terme « glucide » ou « hydrate de carbone » plutôt que celui de « sucre ». En effet, dans le langage courant, on appelle « sucre » tout ce qui goûte sucré. Par contre, en biochimie, un sucre peut ne pas goûter sucré alors qu’une substance au goût sucré peut ne pas être un sucre. Le terme glucide s’applique à un grand nombre de molécules qui ont une structure et des propriétés chimiques semblables (mais pas nécessairement un goût sucré).

Les édulcorants synthétiques, comme le Nutrasuc™, par exemple, goûtent très sucré, mais ce ne sont pas des sucres. Nous verrons plus loin de quoi il s’agit.

Les glucides se divisent en :

6.1

monosaccharides disaccharides polysaccharides

Monosaccharides: glucose, fructose et galactose Les monosaccharides les plus abondants des êtres vivants répondent à la formule chimique C6H12O6. Les trois principaux sont : • • •

Le « sirop de blé d’Inde », par exemple, est un sirop fait d’un mélange de glucose et de fructose (on l’obtient par des transformations chimiques de la farine de maïs).

Glucose Fructose Galactose

Chimiquement, il n'y a que très peu de différences entre ces trois sucres. Ils sont tous les trois formés de 6 carbones, 12 hydrogènes et 6 oxygènes d’où leur formule générale : C6H12O6.

Ils ne diffèrent les uns des autres que par de très légères différences dans la disposition de ces atomes.

Glucose (C6H12O6) CH2OH Carbone

Oxygène Hydrogène

H

O

H

C

C

H OH

H

C

C

H

OH

OH

C OH

I-27

Chapitre 1

HO

CH2

HO

CH2

H

C

O

H

C

H OH

OH C

H

C

C

H OH

H

C

C

OH

H

C

C

H

H

OH

OH C H

OH

Glucose

O HO

HO

Galactose

Comme nous le verrons plus loin, ces sucres, particulièrement le glucose, servent surtout de « carburant » fournissant de l’énergie aux cellules.

6.2 Disaccharides: saccharose, lactose et maltose Un disaccharide est une molécule formée par l'union chimique de deux monosaccharides. Les principaux disaccharides retrouvés dans les aliments sont: Saccharose (ou sucrose) :.....Glucose-Fructose Lactose : ...............................Glucose-Galactose Maltose :...............................Glucose-Glucose

I-28

CH2

C

OH

O H

OH C OH

OH C

C H

Fructose

CH2OH

La cellule

Le sucre de canne (ou de betterave à sucre) qu’on achète à l’épicerie est uniquement formé de sucrose. Un petit cube de sucre comme ceux qu’on met dans notre café (environ 5 g de sucre) contient environ 10,000 milliards de milliards de molécules de sucrose comme celle illustrée ci-dessus (c’est petit une molécule!!!).

Le sucre brun et le sucre d’érable contiennent, en plus du sucrose, de petites quantités de substances minérales et aromatiques qui étaient présentes dans la sève de la plante. Si on traitait ces sucres pour en enlever ces substances, on obtiendrait du sucre raffiné, c’est-à-dire formé uniquement de sucrose.

Le lactose est un sucre abondant dans le lait. On retrouve du maltose dans les fruits, les légumes et les céréales.

Les différents sucres que nous venons de voir n’ont pas tous le même goût sucré. Si on accorde une valeur de 100 au goût sucré du sucrose (le sucre qu’on emploie couramment en cuisine), alors le goût sucré des autres sucres sera:

Le nutrasuc™ utilisé dans les produits « Diet » a un pouvoir sucrant de 18 000 mais ce n’est pas un sucre.

La saveur sucrée des fruits et légumes est surtout due au fait qu'ils contiennent du glucose, du fructose et du sucrose.

Sucrose Fructose Glucose Galactose Maltose Lactose

100 114 69 63 46 16

Le miel, fabriqué par les abeilles à partir d'un liquide sucré récolté dans les fleurs butinées (le nectar) est un mélange formé d'environ 25% d'eau et de 75% de glucides. On retrouve dans ces glucides environ 5% de sucrose, 25 à 35% de glucose et 35 à 45% de fructose. Le miel ne contient pas de lipides ni de protéines. On y retrouve des traces de vitamines et de minéraux, mais en quantités négligeables. Si on ne comptait que sur le miel, il faudrait en manger 10 Kg par jour pour suffire à nos besoins en vitamine C, 20 Kg pour obtenir tout le calcium dont nous avons besoin, 3 Kg pour satisfaire nos besoins en fer.

I-29

Chapitre 1

6.3

Polysaccharides: amidon, glycogène et cellulose Les polysaccharides sont tous formés par l'union chimique entre eux de centaines de molécules de glucose. La seule différence entre un polysaccharide et un autre tient dans le nombre de glucoses formant la molécule et dans la nature des liens chimiques entre ces glucoses.

Les molécules formant les êtres vivants sont souvent des polymères. Un polymère est une grosse molécule formée par l'union chimique de plusieurs petites molécules identiques ou semblables. Les polysaccharides sont, par exemple, des polymères de glucose

Les principaux polysaccharides retrouvés dans les aliments sont l’amidon, le glycogène et la cellulose.

•

Amidon

L’amidon est formé de grosses molécules pouvant contenir des centaines de glucoses liés les uns aux autres. On retrouve de l’amidon dans pratiquement tous les végétaux. La farine tirée des céréales est surtout constituée d’amidon.

Amidon Molécule de glucose

Aliments riches en amidon :

•

Glycogène:

Le glycogène est un polymère de glucoses semblable à l'amidon, présent dans les muscles (la viande) et le foie des animaux.

On qualifie le glycogène de sucre de réserve des animaux.

C’est en effet une façon pratique, pour l’organisme, d’accumuler du glucose sans pour autant transformer le sang en un sirop de blé d’Inde. Suite à un repas riche en sucres, le sang risque de devenir dangereusement trop concentré en gluco-

I-30

La cellule

Glucoses libres

ses. Les cellules du foie transforment alors ces surplus de glucose en molécules de glycogène.

Glycogène

glu + glu + glu + glu +.....+ glu → glu-glu-glu-glu-glu....

Une hormone sécrétée par le pancréas est essentielle au bon déroulement de cette réaction chimique. La connaissez-vous ?

Amidon (aliments) Digestion Glucoses

Inversement, si le taux de glucose sanguin devient trop bas (après un jeûne de quelques heures ou une intense activité physique), le glycogène accumulé dans le foie et les muscles peut se redéfaire en glucoses qui passent dans la circulation sanguine. glu-glu-glu-glu-glu.... → glu + glu + glu + glu +.....+ glu Voyez-vous maintenant pourquoi on conseille aux athlètes de manger du spaghetti (ou n’importe quel autre aliment riche en amidon), la veille d’une activité physique ?

Glycogène (foie et muscles) Calvin and Hobbes

Comment la concentration en glucides du sang de Calvin devrait-elle se modifier dans les minutes qui suivront l'absorption de son chocolat chaud?

I-31

Chapitre 1

•

Cellulose:

Les molécules de cellulose sont formées de glucoses liés les uns aux autres pour former de longues chaînes. Ces chaînes microscopiques, formées de molécules de glucoses alignées, s’entortillent les unes autour des autres pour former des fibres plus grosses.

Toutes les cellules végétales sont entourées d’une paroi formée de ces fibres de cellulose. Tous les végétaux contiennent donc de la cellulose.

Matières riches en cellulose :

La cellulose n'est pas à proprement parler un aliment. Elle constitue une part importante de ce qu'on appelle les fibres alimentaires. Notre système digestif, comme celui de tous les animaux, ne peut séparer les uns des autres les glucoses formant la cellulose (les liens chimiques entre glucoses sont différents de ceux unissant les glucoses de l'amidon ou du glycogène). On ne peut donc pas digérer la cellulose. Notre système peut la broyer mécaniquement mais ne peut en extraire aucun élément nutritif. Toute la cellulose que l’on mange ressort, sans modifi-

I-32

La cellule

cations chimiques, ... de l’autre côté du tube digestif (tâchons de demeurer élégant dans nos propos !). Plus un végétal est "coriace", plus il est riche en cellulose. En effet, la cellulose sert à former les structures dures chez les végétaux.

Mais si on ne peut tirer d’éléments nutritifs de la cellulose, pourquoi conseille-t-on de manger des aliments qui en contiennent (aliments riches en fibres) ?

Résumé: Glucose Monosaccharides Fructose Galactose Saccharose Lactose Disaccharides Maltose Amidon Polysaccharides Glycogène Cellulose

C6H12O6 Glucose-Fructose Glucose-Galactose Glucose-Glucose glu-glu-glu-glu-glu-...-glu

I-33

Chapitre 1

6.4

Digestion des glucides : Seuls les monosaccharides peuvent traverser la paroi de l'intestin et passer dans la circulation sanguine. Le système digestif devra donc, par les enzymes digestives qu’il sécrète, séparer les disaccharides et les polysaccharides en monosaccharides.

Comme seuls les monosaccharides peuvent passer la barrière intestinale et être assimilés par le sang qui les transportera au foie puis aux cellules de tout le corps, un disaccharide doit donc être brisé en deux monosaccharides au niveau de l'intestin. Cette digestion se fait à l'aide d'enzymes digestives particulières sécrétées par les cellules du tube digestif. Certains enfants ne sécrètent pas en quantité suffisante la lactase, l'enzyme digestive nécessaire à séparer le lactose en glucose et galactose. Le lactose, ne pouvant être assimilé, se retrouve alors dans le gros intestin où des bactéries s'en nourrissent et prolifèrent causant ainsi à l'enfant des coliques, ballonnements et diarrhées.

Comment résoudre ce problème ?

Fonction principale des glucides :

I-34

La cellule

7 Les lipides On classe dans les lipides une grande variété de molécules organiques insolubles dans l’eau. La plupart des lipides sont formés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène (C, H et O).

Les prostaglandines constituent une classe d’hormones comprenant de nombreuses substances aux effets très variés. Elles interviennent dans la réaction inflammatoire (la réaction responsable de l’enflure et de la rougeur dans les zones blessées ou infectées). Elles jouent également un rôle dans l’apparition de la fièvre et de la douleur.

Elles participent au contrôle de la pression sanguine, au contrôle de la contraction des muscles involontaires (comme ceux des intestins ou de l’utérus), à la dilatation du col de l’utérus juste avant l’accouchement, au contrôle de la coagulation sanguine, etc.

Les trois principaux lipides de l’organisme sont : • • •

Les triglycérides (ou triacylglycérol) Les stéroïdes Les phospholipides

On retrouve aussi en quantités plus faibles d’autres lipides de nature différente comme les vitamines A, D E et K, les carotènes (pigments jaunes) et les prostaglandines (ce sont des hormones).

Elles tiennent leur nom du fait que les premières ont été isolées à partir de sécrétions de la prostate.

• Les triglycérides (ou graisses neutres) : La plupart des lipides de notre alimentation sont des triglycérides. Ces molécules se forment par l’union chimique d’une molécule de glycérol à trois molécules d’acides gras.

H H

C

O OH

H

C

OH

H

C

OH

H

O

C

H H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Acide gras

O

C

H

H

O

H

C

OH

H

C

OH

C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+

H2O

H

H

Glycérol

Le glycérol est parfois aussi appelé « glycérine ».

+ H2O

Monoglycéride

Glycérol + Acide gras

On peut fixer trois acides gras sur chaque glycérol. On obtient alors un triglycéride.

H H

C

O O C O

H

C

O C O

H

C

O C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Triglycéride

H

H

H

I-35

Chapitre 1

Acide gras Glycérol

Glycérol

Acide gras Acide gras

+

Acide gras

Acide gras

+ 3 H2O

Acide gras

1 triglycéride + 3 H2O

1 glycérol + 3 acides gras

Les triglycérides diffèrent les uns des autres par la longueur des acides gras qui les constituent et par le nombre d’atomes d’hydrogène liés à ces carbones. En alimentation, il importe de faire la distinction entre les gras saturés et les gras insaturés :

Les termes « saturé » et « insaturé » font référence aux acides gras de la molécule de triglycéride

• Les gras saturés Dans les gras saturés, les acides gras possèdent le maximum d’hydrogènes possible. Toutes les liaisons entre les carbones sont simples (pas de liaisons doubles).

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Dans une molécule organique, chaque carbone ne peut former que 4 liaisons chimiques avec les autres atomes.

O C OH

Acide gras saturé

On ne peut pas modifier un gras saturé en ajoutant de l’hydrogène à ses carbones. Les gras saturés possèdent déjà le maximum possible d’hydrogènes.

• Les gras insaturés Les gras insaturés possèdent des acides gras dans lesquels on retrouve une ou plusieurs doubles liaisons. On pourrait ajouter de l'hydrogène à ces molécules si on remplaçait les doubles liaisons par des simples.

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

O

Les acides gras ne possédant qu’une seul double liaison sont dits « monoinsaturés ».

OH

Ceux possédant plus d’une double liaison sont dits « polyinsaturés ».

C

H

Acide gras monoinsaturé

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

Acide gras polyinsaturé I-36

H

O C OH

La cellule

•

La plupart des gras d’origine animale sont saturés alors que beaucoup de gras d’origine végétale sont insaturés (il y a quand même des exceptions dans les deux cas).

•

Généralement, les gras saturés sont solides à la température de la pièce (graisses) alors que les gras insaturés sont liquides (huiles).

Certains gras d’origine végétale comme le beurre de cacao, l’huile de palme et l’huile de noix de coco sont saturés.

De nombreuses études ont démontré qu’il y avait une corrélation étroite entre une forte consommation de gras saturés et les risques de maladies cardiaques.

On rencontre fréquemment dans le commerce des huiles « hydrogénées ». Ce sont des huiles polyinsaturées auxquelles on a ajouté de l’hydrogène les rendant ainsi moins insaturées.

Cette opération est couramment utilisée pour « solidifier » des huiles végétales entrant dans la composition de la margarine ou pour augmenter la durée de conservation des huiles.

On peut hydrogéner un gras insaturé. Il s’agit alors de remplacer une ou plusieurs des doubles liaisons par des liaisons simples. On peut alors ajouter de l’hydrogène aux carbones.

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

Portion insaturée d’un acide gras

+

2H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

En remplaçant la double liaison par une simple, on peut ajouter 2 H

Rôle des triglycérides : Cellules adipeuses

1. Réserve d’énergie 2. Protection 3. Isolant thermique Les triglycérides sont une façon pour l’organisme de mettre en réserve de l’énergie. En effet, si notre régime comporte des surplus de glucides ou de lipides (ou de protéines comme nous le verrons plus loin), ces surplus peuvent être transformés en gras qui sont stockés dans les tissus adipeux. Inversement, si l’alimentation est trop pauvre en aliments pouvant fournir de l’énergie, les réserves de gras seront alors transformées en dérivés chimiques pouvant servir de carburant dans la respiration.

Poids pour poids, les lipides fournissent deux fois plus d’énergie que les glucides.

I-37

Chapitre 1

Les triglycérides servent aussi de « coussin » protecteur pour certains organes comme les reins.

Ils servent également d’isolant thermique.

•

Les phospholipides (ou phosphoglycérolipides)

Les phospholipides ressemblent aux triglycérides. Ils sont formés d’un glycérol lié à deux acides gras et à un groupement chimique contenant du phosphore et de l’azote (P et N).

Les phospholipides, comme nous le verrons plus loin, entrent dans la composition des membranes des cellules.

•

Les stéroïdes :

Les stéroïdes sont des molécules qui partagent toutes le même « squelette » de base, le noyau stérol :

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Noyau stérol

C

Des atomes d’hydrogène et d’oxygène peuvent se fixer de différentes façons sur les carbones du noyau stérol pour former divers stéroïdes.

I-38

La cellule

C

STÉROÏDES

C

C

CH CH3

CH2

C

C C

C

C

Noyau stérol

C

C

C

CH2

C

C C C

CH 3 CH2

C

C

CH 2OH

CH3

CH O

CH3

CH3

C

CH 3

O

CH3 CH 3

O

HO

HO

cholestérol

cortisone

progestérone

OH

CH 3

OH

Gilles Bourbonnais

CH 3 CH3

O

HO

testostérone

Les végétaux ne contiennent pas de cholestérol; seuls les produits d’origine animale en contiennent.

Certains athlètes cherchent à améliorer leurs performances en absorbant régulièrement des stéroïdes anabolisants. Il s’agit de dérivés synthétiques de testostérone, l’hormone masculinisante sécrétée par les testicules. Ces hormones stimulent la croissance des muscles.

O

OH

CH3

CH3

C

oestradiol (oestrogène)

Le plus abondant et le plus connu des stéroïdes est le cholestérol.

Ce lipide n'est présent que chez les animaux.

Le cholestérol est essentiel à notre santé. Il remplit deux grandes fonctions dans l’organisme : 1. Le cholestérol sert à fabriquer divers stéroïdes ou dérivés de stéroïdes comme les hormones stéroïdes, les sels biliaires ou la vitamine D. Les hormones sexuelles comme la testostérone et les œstrogènes sont dérivées du cholestérol.

2. Le cholestérol entre aussi dans la composition des membranes entourant les cellules.

Près de 80% du cholestérol de l’organisme est fabriqué par le foie. Le reste est fourni par l’alimentation.

I-39

Chapitre 1

Il y aurait, selon plusieurs études, une corrélation étroite entre un taux de cholestérol sanguin élevé et les risques de maladies cardiaques, particulièrement l’athérosclérose, une anomalie de la paroi des artères. Comme nous le verrons plus loin, l’athérosclérose est caractérisée par la formation de plaques d’athérome, des accumulations de tissus et de cholestérol dans la paroi des artères. La présence de plaques d’athéromes dans les artères du cœur augmente énormément les risques d’infarctus du myocarde (la crise cardiaque).

Dans le sang, le cholestérol s’associe à des phospholipides et des protéines pour former de microscopiques gouttelettes solubles dans l’eau. C’est sous cette forme que le cholestérol se déplace dans tout le corps. On distingue généralement deux types de gouttelettes : • •

Les HDL (hight density lipoproteins) Les LDL (low density lipoproteins)

Les LDL transportent le cholestérol du foie vers les cellules alors que les HDL transportent les surplus de cholestérol des tissus vers le foie qui peut alors les éliminer en les rejetant dans la bile. Évidemment, il est préférable d’avoir un taux élevé de HDL et un taux bas de LDL. Lorsqu’on mesure le taux de cholestérol sanguin, il est important de bien distinguer les HDL des LDL. Plus que la quantité absolue de cholestérol, il importe surtout de connaître le rapport HDL / LDL.

I-40

On qualifie souvent les LDL de mauvais cholestérol et les HDL de bon cholestérol.

La cellule

8 Les protéines 8.1

Un polymère est une grosse molécule formée de l’union de molécules plus petites.

Structure chimique

Plus de 50% du poids sec d'un animal est constitué de protéines.

Cette proportion est moindre chez les végétaux (les végétaux sont surtout constitués de cellulose).

Toutes les protéines sont des polymères d'acides aminés. Un acide aminé est une petite molécule formée de carbone, hydrogène, oxygène et azote (soufre parfois). 20 sortes différentes d'acides aminés peuvent entrer dans la composition d'une protéine.

Formule générale d’un acide aminé

R

H N

La portion R de la molécule est variable d’un acide aminé à l’autre

C

H

H

C

O OH

Tous les acides aminés possèdent : • Un groupement amine : c’est le groupement NH2 • Un groupement acide : c’est le groupement COOH • Une portion variable d’un acide aminé à l’autre (c’est la portion indiquée par la lettre R sur la figure ci-dessus).

Exemples d’acides aminés:

CH 3

CH 3

CH H H 2N

C

CH 3 COOH

H 2N

H

C

CH 2 COOH

H 2N

H

Glycine (Gly)

C

COOH

H

Alanine (Ala)

Leucine (Leu)

SH CH 2 H 2N

CH 2 COOH

C

H 2N

C

COOH

H

H Cystéine (Cys)

Phénylalanine (Phé)

Les 20 acides aminés Alanine (Ala) Cystéine (Cys) Acide aspartique (Asp) Acide glutamique (Glu) Phénylalanine (Phé)

Glycine (Gly) Histidine (His) Isoleucine (Ilu) Lysine (Lys) Leucine (Leu)

Méthionine (Met) Asparagine (Asn) Proline (Pro) Glutamine (Gln) Arginine (Arg)

Sérine (Ser) Thréonine (Thr) Valine (Val) Tryptophane (Trp) Tyrosine (Tyr)

I-41

Chapitre 1

Les acides aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique. La liaison peptidique se fait entre le groupement COOH d’un acide aminé et le groupement NH2 de l’autre acide aminé. Au cours de la réaction, une molécule d’eau est éliminée. Il s’agit donc d’une synthèse par déshydratation.

H

R N

H

C H

C

O OH

+

R

H N H

C H

O

H

OH

H

C

N

R

O

C

C

H N

R C

C

H

H

O OH

Liaison peptidique = Liaison entre deux acides aminés

+

H2O Formation d’une molécule d’eau

Dans la cellule, l’union de plusieurs acides aminés forme une protéine.

Certaines protéines sont très petites (4 ou 5 acides aminés), d'autres gigantesques (plus de 600 acides aminés). La plupart des protéines contiennent entre 100 et 200 acides aminés. Notre organisme fabriquerait quelque chose comme 100 000 protéines différentes les unes des autres.

Exemple de protéine : le lysozyme Le lysozyme est une protéine présente dans la plupart des cellules. On en retrouve aussi dans les larmes qui baignent la surface de nos yeux et dans la salive. Cette protéine a la propriété de provoquer l’hydrolyse des protéines (à son contact, les protéines sont brisées en morceaux). Dans les larmes de l’œil, elle agit comme antiseptique naturel (le lysozyme attaque les protéines des bactéries pouvant causer des infections).

Dans la plupart des cellules elle sert à digérer de grosses molécules devenues inutiles.

Le lysozyme est un polymère formé de l'assemblage, dans un ordre précis, de 130 acides aminés.

LYS ARG ASN THR ASP ASN LEU ALA GLY ASN

I-42

VAL LEU TRP ARG TYR ASP SER VAL ILE ARG

PHE GLY MET ALA GLY GLY CYS ALA ARG ASP

GLU MET CYS THR ILE LYS SER CYS ALA VAL

ARG ASP LEU ASN PHE THR ALA ALA TRP ARG

CYS GLY ALA TYR GLN PRO LEU LYS VAL GLN

GLU TYR LYS ASN ILE GLY LEU ARG ALA TYR

LEU ARG TRP ALA ASN ALA GLN VAL TRP VAL

ALA GLY GLU GLY SER VAL ASP VAL ARG GLN

ARG ILE SER ASP ARG ASN ASN ARG ASN GLY

THR SER GLY ARG TYR ALA ILE ASP ARG CYS

LEU LEU TYR SER TRP CYS ALA PRO CYS GLY

LYS ALA ASN THR CYS HIS ASP GLN GLN VAL

Chacun de ces petits mots de trois lettres désigne un acide aminé.

Lys, par exemple, correspond à l’acide aminé appelé lysine; Val à valine, Phé à phénylalanine, etc.

La cellule

G. Bourbonnais

La chaîne d’acides aminés formant la protéine se replie sur ellemême pour former une structure en trois dimensions ayant une forme bien précise.

L’aspartame (le Nutrasuc™ ou Nutrasweet™) utilisé dans les produits « diet » n’est pas un sucre, c’est une petite molécule formée de deux acides aminés liés l’un à l’autre : la phénylalanine (PHE) et l’acide aspartique (ASP) associées à un groupement méthyl (CH3) (L-aspartyl-Lphenylalanine methyl ester).

Curieusement, aucun de ces deux acides aminés ne goûte sucré. Liés chimiquement ils ont un goût amer. Associés au groupement méthyl, ils forment une substance au goût 180 fois plus sucré que le sucre de table.

La chaîne d’acides aminés se replie sur elle-même pour former une structure plus compacte possédant une forme tridimensionnelle bien précise.

La structure générale de la protéine peut être de nature: • Fibreuse : La chaîne se replie alors pour former une longue spirale (comme un ressort). Chacun de ces petits fils peut s’entortiller autour des autres pour former des espèces de gros câbles résistants.

• Globulaire : La chaîne se replie pour former une masse compacte (comme sur l’illustration ci-dessous). C’est le cas de la grande majorité des protéines connues.

Certaines protéines peuvent être formées de plusieurs chaînes qui s’associent les unes aux autres. C’est le cas, par exemple, de l’hémoglobine du sang, une protéine formée de quatre polypeptides intimement associés entre eux.

I-43

Chapitre 1

8.2

Rôle des protéines dans l’organisme

Les protéines remplissent de nombreuses fonctions chez les humains : 1. Structure ex. kératine: cheveux, ongles, corne, sabots collagène: tendons, cartilage, os et autres tissus conjonctifs

2. Régulation : les hormones La plupart des hormones sont des protéines. ex. insuline et glucagon : vasopressine (ou ADH) :

régulation du glucose sanguin régulation de la teneur en eau du sang

3. Mouvement actine et myosine : protéines contractiles du muscle 4. Transport ex. hémoglobine: lipoprotéines :

transport de l'oxygène dans le sang transport de lipides dans le sang

5. Immunité Anticorps (ou immunoglobulines) (il en existe une très grande variété); les anticorps nous protègent contre les substances étrangères et les microbes.

6. Récepteurs membranaires et transporteurs protéiques Comme nous le verrons à la prochaine session, la plupart des hormones agissent sur les cellules en se liant à des protéines spécifiques le plus souvent situées à la surface de la membrane. Une

I-44

Rôle des protéines : 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Structure Régulation Mouvement Transport Immunité Récepteurs et canaux membranaires 7. Enzymes

Certaines hormones, les hormones stéroïdes, sont des dérivés du cholestérol. C’est le cas, par exemple, des hormones comme la testostérone et les œstrogènes.

La cellule

hormone donnée ne peut agir que sur les cellules possédant les récepteurs auxquels elle peut se lier.

Vaisseau sanguin

L’hormone (indiquée par la lettre H) est transportée part le sang.

Elle ne peut agir que sur les cellules qui possèdent un récepteur sur lequel elle peut se fixer.

Ce récepteur est une protéine.

cellule cible (avec récepteur) cellule sans récepteur

On retrouve également dans la membrane de toutes les cellules des protéines permettant de transporter différentes substances (surtout des électrolytes) à travers la membrane. Ces « pompes » cellulaires consomment près du tiers du total de l’énergie totale dépensée par l’organisme à chaque jour.

7. Enzymes Les enzymes constituent le groupe le plus important des protéines. Ces protéines sont des catalyseurs.

Un catalyseur, c'est une substance qui active une réaction chimique qui ne se produirait pas (ou serait très lente) si le catalyseur n'était pas présent. Sans le catalyseur, la réaction serait très lente ou il faudrait fournir aux molécules en présence une grande quantité d’énergie pour les faire réagir entre elles.

Certaines réactions chimiques ne peuvent se faire que si elles sont activées par un catalyseur. C'est le cas de la plupart des réactions chimiques observées dans un être vivant. Les enzymes constituent les catalyseurs activant les réactions chimiques permettant la vie.

I-45

Chapitre 1

8.3

Les enzymes

Une cellule ne peut survivre qu'en effectuant continuellement des milliers de réactions chimiques différentes. Chacune de ces réactions ne peut se produire que si la cellule fabrique l'enzyme particulière nécessaire au bon déroulement de cette réaction.

Si on mélange, par exemple, de l’amidon avec de l’eau, les molécules d’amidon demeureront de l’amidon, même si on brasse vigoureusement ou si on chauffe. Les glucoses formant l’amidon n’ont pas du tout tendance à se séparer les uns des autres. Par contre, si on mange cet amidon, il se transformera rapidement en glucoses dans notre intestin. Pourquoi? Tout simplement parce que notre intestin, contrairement au verre d’eau, contient des enzymes qui catalysent la transformation de l’amidon en glucoses.

De même, le saccharose ne peut pas se transformer en glucose et fructose dans notre café, ce qui pourtant se produit rapidement dans l’intestin (notez que l’enzyme responsable de cette réaction, la saccharase, est différente de celle responsable de la transformation de l’amidon).

Généralement, le nom des enzymes se termine par le suffixe « ase ».

Inversement, si on mélangeait dans un verre d’eau du glucose et du fructose, ces deux molécules ne s’uniraient pas spontanément pour former du saccharose. On peut brasser, chauffer le mélange, le glucose et le fructose demeurent séparés. Pourtant, dans n’importe quel fruit, ces deux sucres s’assemblent facilement pour former du sucrose. Tout simplement parce que les cellules de ces fruits fabriquent une enzyme catalysant cette réaction.

EZ

A+B

A-B

Site actif

A

A

B

B Gilles Bourbonnais

A

B

Enzyme

I-46

La cellule

Enzyme = catalyseur biochimique spécifique

Une enzyme donnée est spécifique à une réaction chimique donnée c’est-à-dire qu'une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une réaction chimique bien précise. L’enzyme responsable de la transformation du saccharose en glucose et fructose n’est pas la même que celle responsable de la transformation du lactose en glucose et galactose par exemple.

Nos cellules peuvent fabriquer des milliers de protéines différentes. La plupart de ces protéines sont des enzymes.

8.4

Une enzyme donnée peut recommencer la même réaction 10 000 à 60 000 fois en une seule seconde.

Dans la réaction A + B → A-B, A et B sont des substrats et A-B est un produit.

Mode d’action d’une enzyme

Lorsque la chaîne d’acides aminés se replie sur elle-même, elle forme une structure compacte présentant des creux et des bosses.

Dans certains creux, se trouvent rassemblés des acides aminés qui, ensemble, confèrent à cette région de la protéine, des caractéristiques chimiques spécifiques. C’est au niveau de ces régions, appelées sites actifs, que s’effectuent les réactions chimiques catalysées par les enzymes.

L’enzyme responsable de l’union chimique du glucose au fructose, par exemple, possède un site actif sur lequel ces deux sucres peuvent se fixer. Lorsque les deux sucres sont fixés au site actif, ils sont alors en bonne position pour réagir un avec l’autre et s’unir. Après la réaction, le saccharose se détache de l’enzyme qui est alors libre d’effectuer à nouveau la même réaction avec un autre glucose et un autre fructose.

Notez que l'enzyme n’est pas modifiée par la réaction chimique qu’elle catalyse, elle peut resservir à nouveau.

Dans une réaction catalysée par une enzyme, on appelle « substrat » le ou les produits sur lesquels agissent l’enzyme et « produit » le résultat final de la réaction chimique.

• L’enzyme est un catalyseur.

• Elle est spécifique à certains substrats.

• Elle n’est pas modifiée par la réaction et peut servir à nouveau.

I-47

Chapitre 1

Utilisation du disulfiram dans le traitement des alcooliques L’alcool consommé peut être éliminé de trois façons différentes par l’organisme: •

Une faible partie est éliminée, au niveau de la peau, par la transpiration;

•

Une faible partie est également éliminée par les poumons (d’où l’idée d’évaluer le taux d’alcool dans le sang en dosant le taux d’alcool dans l’haleine);

•

La plus grande partie de l’alcool consommé sera transformé, par les cellules du foie, en pyruvate, un dérivé du glucose sans danger pour l’organisme. Deux enzymes sont nécessaires pour catalyser cette réaction:

éthanol

acétaldéhyde alcool déshydrogénase

pyruvate

aldéhyde déshydrogénase

Le pyruvate ainsi obtenu à partir de l’alcool peut être utilisé comme combustible par les cellules (respiration cellulaire) ou encore transformé en gras (on peut donc engraisser en consommant de l’alcool).

Le disulfiram est un médicament parfois utilisé pour traiter l’alcoolisme.

Ce médicament a la propriété de bloquer l’enzyme aldéhyde déshydrogénase qui catalyse la seconde réaction. Voyez-vous ce qui arriverait à une personne prenant de l’alcool après avoir absorbé du disulfiram?

Eh oui, la réaction d’élimination de l’alcool s’arrêterait à la formation de l’acétaldéhyde. L’accumulation de cette substance dans l’organisme provoque un malaise généralisé (nausées très désagréables, entre autres) très dissuasif. Un alcoolique ayant pris du disulfiram ne peut donc pas du tout consommer d’alcool.

I-48

Il y a plusieurs sortes d’alcool. L’éthanol, c’est l’alcool de consommation contenu dans les boissons alcoolisées.

La cellule

8.5

Saviez-vous qu’on peut faire du Jello avec des ananas en boîte mais non avec des ananas frais ? L’ananas frais contient en effet une enzyme qui a la propriété de détruire les protéines formant la gélatine du Jello. Le phénomène ne se produit pas avec les ananas en conserve puisque les enzymes de ceux-ci ont été dénaturées par la chaleur lors de la stérilisation avant la mise en boîte.

La papaye (la verte surtout) contient également une enzyme semblable (une enzyme qui brise les liens entre les acides aminés d’autres protéines). On peut ainsi attendrir une viande coriace en la piquant avec une fourchette trempée dans du jus de papaye.

Dénaturation des enzymes

Les enzymes sont très sensibles à la chaleur ou à l’acidité. Ces facteurs peuvent modifier la forme finale de la protéine ce qui aura pour effet de la rendre inactive. On dit alors que l’enzyme a été dénaturée.

Si la protéine se déforme, le site actif risque d’être modifié et perdre son affinité avec les molécules qui peuvent normalement s’y fixer.

L’enzyme a alors perdu ses propriétés catalytiques, elle ne peut plus remplir sa fonction.

C’est pourquoi la chaleur est mortelle pour les êtres vivants. À haute température, les enzymes se dénaturent et perdent leurs propriétés catalytiques. Les réactions chimiques nécessaires au fonctionnement de la cellule s’arrêtent. C’est la mort.

Trois facteurs peuvent provoquer la dénaturation d’une enzyme :

Les protéines globulaires sont beaucoup moins stables que les protéines fibreuses. Elles sont donc beaucoup plus faciles à dénaturer.

• Température élevée La plupart des enzymes de notre corps se dénaturent lorsque la température dépasse 45 °C • pH extrême (milieu trop acide ou trop alcalin) • Concentration élevée d’électrolytes dans le milieu C’est également pour cette raison que les aliments cuits se conservent mieux que les aliments crus. La cuisson dénature les enzymes des cellules de l’aliment. Sans enzymes, les réactions de dénaturation qui se poursuivent même après la mort, cessent.

8.6

Protéines et alimentation

Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin. Certaines cellules peuvent fabriquer plus de 10 000 protéines différentes.

Dans son ensemble, notre organisme fabriquerait plus de 30 000 protéines différentes.

Les acides aminés nécessaires à cette synthèse proviennent de la digestion des protéines des aliments. Au niveau de l’intestin, sous l’action des sucs digestifs, les protéines contenues dans les aliments sont brisées en acides aminés qui seront acheminés aux cellules par

I-49

Chapitre 1

la circulation sanguine. Chaque cellule puise dans le sang les acides aminés dont elle a besoin pour fabriquer ses propres protéines. Une cellule fabriquant du lysozyme par exemple, doit donc, pour chaque molécule de lysozyme fabriquée, puiser dans le milieu environnant les 126 acides aminés entrant dans la composition de cette protéine (et, en plus, elle doit les assembler dans le bon ordre).

Pouvez-vous nommer quelques aliments riches en protéines ?

Sous l’action des sucs digestifs, les protéines des aliments sont brisées en acides aminés.

Les acides aminés provenant de la digestion sont acheminés aux cellules par la circulation sanguine. Les cellules absorbent ces acides aminés et les utilisent pour assembler leurs propres protéines.

Sans protéines dans notre alimentation, nous souffririons rapidement de carences en acides aminés et sans acides aminés, nos cellules ne pourraient plus fabriquer les importantes protéines nécessaires à leur survie. C'est pourquoi il est si important que notre diète comprenne des protéines.

Sur les 20 différents acides aminés qui nous sont nécessaires, 8 sont dits essentiels car ils ne peuvent absolument pas être fabriqués par notre organisme, on doit nécessairement les puiser dans les

I-50

L’organisme d’un homme adulte fabrique, quotidiennement, environ 300 g de protéines. Une bonne partie de cette production se fait à partir d’acides aminés provenant de protéines devenues inutiles que les cellules ont défaites en acides aminés. On ne peut cependant pas toujours tout recycler. Il nous faut consommer tous les jours environ 30 à 90 g de protéines pour compenser les pertes en acides aminés.

La cellule

protéines de nos aliments. Or, si les protéines animales contiennent à peu près les 8 acides aminés essentiels dans les bonnes proportions, les protéines végétales sont par contre généralement déficientes en certains acides aminés et riches en d'autres qu'on utilise peu. C'est un peu comme si on avait un jeu de Scrabble contenant peu de lettres E mais beaucoup de W. Par contre, souvent un acide aminé rare dans les protéines d'un végétal peut être abondant dans celles d'un autre et vice-versa. En combinant les deux végétaux dans le même repas, on retrouve alors tous les acides aminés nécessaires à peu près dans les bonnes proportions. C’est ce qu’on appelle la complémentarité des protéines.

GRAINES

CÉRÉALES

tournesol sésame

PRODUITS LAITIERS

LÉGUMINEUSES pois lentilles

Peu d' aliments de ces groupes se complètent mutuellement

Complémentation valable entre la plupart des aliments de ces groupes

Les céréales, par exemple, complètent bien les légumineuses (les acides aminés rares de l'un sont abondants dans l'autre).

Les haricots sont déficients en tryptophane et méthionine Tryptophane Méthionine Valine Thréonine Phénylalanine Leucine Isoleucine Lysine

Tryptophane Méthionine

Valine Thréonine Phénylalanine Leucine Isoleucine Lysine

Le maïs est déficient en Isoleucine et lysine Consommés ensemble, l’un apporte ce qui manque à l’autre et vice-versa

I-51

Chapitre 1

Un végétarien (pas de viande), et à plus forte raison un végétalien (aucun aliment d'origine animale) doit donc veiller à bien combiner, à chaque repas, ses aliments de façon à toujours obtenir tous les acides aminés essentiels qui lui sont nécessaires. Sans cette précaution, un ou plusieurs acides aminés essentiels pourraient manquer et seule une très faible partie des acides aminés des aliments serait utilisable.

Imaginez qu'on vous donne 1 drapeau bleu, 5 blancs et 5 rouges puis qu'on vous demande, avec ce tissu, de fabriquer des drapeaux français (bleu-blanc-rouge) de la même taille. Vous ne pourriez évidemment fabriquer que trois drapeaux. Rapidement, le manque de bleu vous forcerait à arrêter votre production même s'il vous reste encore beaucoup de blanc et de rouge.

C'est la même chose pour une personne dont la diète est déficiente en un acide aminé essentiel. Lorsque cet acide aminé vient à manquer, la production des protéines cesse, même s'il reste encore en circulation de nombreux acides aminés. L'organisme utilisera alors ces acides aminés inutiles comme carburant dans la respiration ou encore il les transformera en gras.

Les protéines d'un aliment courant contiennent tous les acides aminés essentiels à peu près dans les proportions exactes correspondant à nos besoins. Le connaissez-vous ?

I-52

La cellule

a) Si la diète est trop pauvre en protéines : L'organisme ne peut survivre si les cellules manquent d'acides aminés pour fabriquer leurs protéines. Si la diète ne peut fournir tous les acides aminés essentiels, l'organisme devra alors digérer ses propres protéines (les protéines musculaires surtout) afin de fournir à ses cellules les acides aminés dont elles ont besoin. Ainsi, chez une personne dont la diète est carencée en un ou plusieurs acides aminés essentiels, on observera rapidement une perte de tissu musculaire.

Une personne peut-elle avoir une diète telle qu'elle engraisse tout en perdant de la masse musculaire ?

b) Si la diète est trop riche en protéines : L’organisme transforme alors les surplus d’acides aminés en gras (et non en muscles comme le croient naïvement certains culturistes qui se gavent de concentrés d’acides aminés !).

8.7

Protéines et maladies héréditaires

Les protéines sont à la cellule, ce que les pièces d’un moteur sont à… un moteur. Évidemment, chacune des pièces formant le moteur de votre voiture a une forme bien précise. Il suffirait qu’une seule de ces pièces ne soit pas conforme aux devis du constructeur et le moteur ne pourrait pas fonctionner. Il en est de même pour nos protéines, chacune a une forme, une structure bien précise qui lui permet de remplir adéquatement son rôle dans le fonctionnement de la cellule. La forme finale d’une protéine ne dépend que de deux facteurs : la sorte d’acides aminés formant la protéine et l’ordre dans lequel ceux-ci s’enchaînent.

Un seul acide aminé qui ne serait pas à sa place et la protéine pourrait avoir une autre forme et d’autres propriétés chimiques. Tout le fonctionnement de la cellule et de l’organisme pourrait être perturbé.

I-53

Chapitre 1

Les maladies héréditaires, comme la fibrose kystique, l’hémophilie, et bien d’autres, sont toutes dues à une erreur, commise par les cellules de la personne atteinte, dans la construction d’une protéine particulière.

Toutes les maladies héréditaires résultent d’une erreur dans la fabrication d’une protéine.

Une maladie héréditaire connue sous le nom d'anémie falciforme (ou anémie pernicieuse) résulte d'une erreur dans la séquence d'acides aminés d'une partie de la protéine hémoglobine. Chez les personnes souffrant de cette maladie, le 6e acide aminé de la chaîne est une valine (Val) plutôt qu'un acide glutamique (Glu).

Cette toute petite différence entraîne une modification des propriétés physiques et chimiques de l’hémoglobine. Cette anomalie de l’hémoglobine a pour effet de déformer les globules rouges du sang (le globule, normalement rond, prend une forme de croissant) ce qui entraîne de nombreux problèmes circulatoires.

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-AlaLeu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-GlyGlu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-TryThr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-SerThr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-LysAla-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-AspGly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-PhéAla-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-HisVal-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-ValLeu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-GluPhé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-ValVal-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-TyrHis Séquence des acides aminés d’une des chaînes d’acides aminés formant l'hémoglobine. Chez les personnes souffrant d'anémie falciforme, le sixième acide aminé de la chaîne est une valine (Val) plutôt qu'un acide glutamique (Glu). Cette seule petite différence est suffisante pour que l'hémoglobine soit anormale au point de ne pouvoir remplir adéquatement sa fonction de transporter l'oxygène.

I-54

L’hémoglobine est cette protéine, contenue dans les globules rouges du sang, qui transporte l’oxygène provenant des poumons.

La cellule

9 Les niveaux d'organisation de la matière Un être vivant comme l'être humain est le résultat de l'assemblage de milliards de cellules. Chacune de ces cellules est elle-même formée d'organites cellulaires. Ces organites sont formés de grosses molécules organiques formées par l'assemblage de molécules organiques plus petites. Enfin, les molécules sont le résultat de l'union des atomes.

Tout être vivant se caractérise par cette hiérarchie des niveaux d'organisation : • les atomes s'unissent en molécules, • les molécules en organites cellulaires, • les organites en cellules, • les cellules en tissus, Un tissu est formé de l'union de nombreuses cellules identiques Ex.

• les tissus en organes, Un organe est une structure formée de différents tissus remplissant une fonction particulière dans l'organisme Ex.

• les organes en systèmes Un système est formé d'organes différents coopérant entre eux dans l'accomplissement d'une fonction commune Ex.

• et enfin l'ensemble des systèmes forme l'organisme.

Notez bien qu’à chaque niveau d’organisation on voit émerger de nouvelles propriétés que n’ont pas chacun des éléments formant ce niveau.

I-55

Chapitre 1

Les molécules n’ont pas les mêmes propriétés que les atomes les constituant. L’eau (H2O) n’a pas du tout les propriétés de l’oxygène ou de l’hydrogène.

Les molécules peuvent s’unir pour former une structure douée de propriétés uniques dans l’univers : la cellule vivante. La vie est une propriété extraordinaire qui émerge de l’assemblage des molécules.

Une cellule vivante, c’est beaucoup plus que la somme des molécules qui la composent. De même, aucune molécule ne possède les propriétés d’un être vivant.

Les cellules peuvent s’unir pour former des tissus et des organes possédant des propriétés encore nouvelles. Le cerveau, par exemple permet l’émergence de l’intelligence, de la sensibilité, de l’imagination et de la créativité. Le cerveau est beaucoup plus que la simple addition des cellules qui le constituent. En biologie en particulier, le tout est généralement beaucoup plus que la somme des éléments le constituant.

I-56

La cellule

Molécule

Atome

Cellule

Cellule musculaire lisse

Les cellules sont formées de milliards de molécules

Les atomes s'assemblent en molécules

Tissu

Tissu musculaire lisse

Les tissus sont formés de cellules identiques

Organe

Gilles Bourbonnais

Les organes sont formés de différents tissus

Organisme Système

Les systèmes sont constitués d'organes qui travaillent ensemble Système cardiovasculaire

Les niveaux d'organisation du corps

I-57

Chapitre 1

10 Le liquide interstitiel

La vie serait apparue, selon les dernières théories, dans les océans de la terre primitive il y a environ 3,5 milliards d’années. Ces premiers êtres vivants n’étaient que des unicellulaires semblables aux bactéries actuelles. Il s’écoulera près de 3 milliards d’années avant que n’apparaissent les premiers pluricellulaires formés de nombreuses cellules spécialisées. La vie va alors rapidement se diversifier (encore le principe du jeu de « Lego »; avec quelques cellules types, on peut construire une grande variété de formes différentes).

En moins de 100 millions d’années (presque rien quoi !) apparaîtront la plupart des formes de vie actuelles (vers, mollusques, insectes, vertébrés, crustacés, etc.). Dans ces organismes pluricellulaires, les cellules doivent, pour survivre, trouver sensiblement les mêmes conditions chimiques que celles qui leur permettaient de vivre dans les océans à l’époque des unicellulaires. Chez les plus petits, la chose est relativement facile puisque chaque cellule de l’organisme est encore tout près de l’océan. Chez les plus gros, par contre, il faudra que se développent différents systèmes, afin de recréer ce milieu interne semblable à celui des océans primitifs ; système respiratoire pour capter l’oxygène et éliminer le gaz carbonique, système digestif pour obtenir des éléments nutritifs, système excréteur pour débarrasser le milieu interne des déchets qui s’y accumulent et système circulatoire pour véhiculer tout cela à travers l’organisme.

Il y a environ 450 millions d’années les premiers êtres vivants sont sortis des océans pour conquérir la terre ferme ; d’abord les plantes, puis des espèces de scorpions primitifs et enfin les premiers vertébrés, nos ancêtres. Même sur la terre ferme, les organismes doivent continuer à faire baigner leurs cellules dans un milieu stable semblable à l’océan primitif. Nous vivons au sec, mais chacune de nos cellules est un être aquatique. C’est pourquoi notre corps est imperméabilisé par plusieurs couches de cellules mortes imprégnées de kératine et de gras. Sous cette barrière, nos cellules continuent à vivre dans l’eau, comme leurs ancêtres unicellulaires.

Cet océan intérieur, essentiel à la survie des cellules, se forme à partir du sang. On l’appelle « liquide interstitiel ». Chaque cellule puise dans ce liquide ce dont elle a besoin pour vivre et rejette les

I-58

La cellule

déchets qui risqueraient de l’étouffer. La cellule ne pourrait survivre sans ces échanges continuels avec le liquide interstitiel.

Milieu intracellulaire

Liquide interstitiel

Aliments

Intestin

Digestion

Déchets

Échanges entre le sang, le liquide interstitiel et le liquide intracellulaire

Ces échanges essentiels à la survie de la cellule se font à travers une mince frontière, la membrane cellulaire (ou membrane cytoplasmique).

Notre organisme est formé de plusieurs sortes de cellules de différentes formes et de différentes tailles.

Certaines sont sphériques (cellules graisseuses), d’autres ressemblent à des galettes (cellules de l’épiderme) ou à de petits disques (globules rouges). Certaines ressemblent à de longs filaments pouvant atteindre plusieurs centimètres de longueur (cellules musculaires) et d'autres à des genres de pieuvres dont certains «tentacules » peuvent avoir plus d’un mètre de longueur (neurones). Chacune de ces cellules remplit une fonction bien précise dans le fonctionnement de l’organisme.

Même si elles peuvent présenter de grandes différences entre elles, toutes les cellules sont formées :

Certaines cellules comme les globules rouges perdent leur noyau lorsqu’elles deviennent matures.

•

D’une membrane cellulaire (ou plasmique) La membrane sépare le milieu interne de la cellule de son milieu externe.

•

D’un noyau Le noyau est une grosse structure renfermant le matériel génétique de la cellule. Ce matériel génétique contrôle tout le fonctionnement de la cellule.

I-59

Chapitre 1

•

Du cytoplasme Le cytoplasme comprend tout le matériel situé entre la membrane et le noyau. On y retrouve : à

Le cytosol C’est le nom donné à la portion liquide du cytoplasme. Le cytosol est un liquide gélatineux renfermant une grande variété de molécules organiques et inorganiques (protéines, électrolytes, glucides ...).

à

Les organites et inclusions Les organites sont de petites structures remplissant des fonctions précises dans la cellule.

Les inclusions sont des sacs qui peuvent se former et se défaire. Ils renferment des produits synthétisés par la cellule.

On note cependant certaines différences entre la cellule animale et la cellule végétale: 1. Les cellules végétales sont en général beaucoup plus grosses que les cellules animales (100 à 200 µm contre environ 20 µm pour les cellules animales).

2. Présence chez les cellules végétales d'une paroi rigide et épaisse faite de cellulose (en plus de la membrane).

3. Présence chez les cellules végétales d'une grande vacuole d'eau occupant presque tout l'espace au centre de la cellule. Cette vacuole constitue une réserve d'eau pour la plante.

4. Les cellules des parties vertes de la plante contiennent des granules verts, les chloroplastes. Ces structures permettent à la cellule de capter et d'utiliser l'énergie lumineuse (photosynthèse).

Dans ce chapitre, nous étudierons les principales structures formant la cellule, d’abord la membrane et, ensuite, les différents organites. Vous verrez comment les molécules que nous avons étudiées dans le dernier module s’assemblent pour former ces structures cellulaires.

I-60

La cellule

Vésicule

Nucléole

Appareil de Golgi

Mitochondrie

Noyau

Gilles Bourbonnais

Réticulum endoplasmique

Membrane cellulaire Ribosomes

I-61

Chapitre 1

I-62

La cellule

11 La membrane cellulaire Il faudrait superposer 10 000 couches de membrane cellulaire pour obtenir l’épaisseur de cette feuille de papier.

La membrane cellulaire est très mince. Elle ne mesure que 7.5 nm (nanomètres) d’épaisseur.

En plus d’entourer la cellule, de la séparer du milieu dans lequel elle baigne, la membrane forme presque toutes les structures (organites, noyau et inclusions) observées à l’intérieur de la cellule.

11.1 Structure chimique de la membrane La membrane cellulaire est surtout formée de : • Lipides à

Portion hydrophile

Phospholipides et glycolipides Les phospholipides sont disposés en deux couches.

Environ 10% des phospholipides de la couche externe sont liés à des glucides. Ces combinaisons lipide-glucide sont appelées glycolipides.

Chacune des deux extrémités d’une molécule de phospholipide a des propriétés différentes face à l’eau : • Le côté phosphate est hydrophile (affinité avec l’eau) • Les chaînes d’acides gras sont hydrophobe (peu d’affinité avec l’eau) Si on place des phospholipides dans l’eau, les molécules ont tendance à se regrouper d’une façon particulière : les molécules s’empilent de façon à regrouper ensemble les portions hydrophobes et à mettre en contact avec l’eau les portions hydrophiles. Il se forme alors une double couche de phospholipides comme on peut le voir sur l’illustration ci-contre.

Portion hydrophobe

• Cholestérol Les molécules de cholestérol sont intercalées entre les phospholipides. Elles rendent la membrane plus fluide.

• Protéines et glycoprotéines à

Certaines protéines (protéines périphériques) « flottent » à la surface des lipides ou s’y enfoncent partiellement.

I-63

Chapitre 1

à

à

La plupart traversent complètement la double couche de lipides (protéines transmembranaires). ¾ Ces protéines peuvent former des canaux permettant aux électrolytes de traverser la membrane. ¾ D’autres servent de « transporteur ». Elles peuvent se lier à une substance particulière et l’aider à lui faire traverser la membrane.

La plupart des protéines de la face extérieure sont liées à des glucides. Ces molécules sont appelées glycoprotéines.

Structure moléculaire de la membrane cellulaire

7,5 nm

Molécule de phospholipide

Molécule de cholestérol

Protéine «canal»

Polysaccharide

Protéine de surface

OU

Représentation compacte

I-64

Représentation symbolique

G. Bourbonnais

Molécule de phospholipide

La cellule

Les groupes sanguins (système ABO) sont déterminés par la présence ou l’absence de certaines glycoprotéines à la surface des cellules.

Ce sont les glycoprotéines de la membrane qui font que nos cellules sont uniques. Alors que les lipides sont sensiblement les mêmes pour tous, les glycoprotéines de la membrane sont très variables. Il n’y a pas deux individus au monde qui ont exactement les mêmes glycoprotéines (sauf les jumeaux identiques). Certaines de ces protéines servent d’ailleurs de « marqueurs » permettant au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules des cellules étrangères.

Ainsi, si on vous greffait un organe provenant d'un autre individu, votre système immunitaire (globules blancs et anticorps) reconnaîtrait que ces nouvelles cellules ne vous appartiennent pas. Plusieurs des protéines à la surface des cellules greffées ne sont pas les mêmes que celles que l'on trouve à la surface de vos propres cellules.

Trahies par leurs protéines, les nouvelles cellules seraient rapidement détruites par votre système immunitaire ; il y aurait rejet de la greffe.

11.2 Rôles de la membrane • Frontière entre l’intérieur de la cellule (le cytosol) et l’extérieur de la cellule (liquide interstitiel). La membrane permet à la cellule de conserver un milieu intérieur différent du milieu extérieur dans lequel elle baigne.

• Union des cellules entre elles : Dans les tissus, les cellules s'unissent les unes aux autres par l’intermédiaire des glycoprotéines et glycolipides de leurs membranes.

• Échanges entre le cytosol et le liquide interstitiel : La cellule ne peut vivre que si elle effectue des échanges avec le milieu qui l’entoure. Continuellement, elle doit absorber certaines substances (nourriture, oxygène, minéraux) et en rejeter d’autres (déchets, matières en surplus, gaz carbonique). Tous ces échanges se font au niveau de la membrane.

Enfin, n’oubliez pas que presque toutes les structures qu’on observe à l’intérieur de la cellule (les organites et inclusions) sont formées de membranes.

I-65

Chapitre 1

12 Le transport membranaire La membrane cellulaire possède une perméabilité dite sélective, c’est-à-dire qu'elle se laisse traverser par certaines substances mais pas par d'autres.

Le passage des substances à travers la membrane peut se faire par : •

•

Transport passif Le transport passif ne nécessite aucune dépense d’énergie de la part de la cellule. Il se produit même si la cellule est morte.

Transport actif Le transport actif demande une dépense d’énergie de la part de la cellule. Il ne peut se produire que si la cellule est vivante et active.

12.1 Transport passif : diffusion, osmose et diffusion facilitée 12.1.1 La diffusion simple Si elle peut traverser la membrane, une substance diffusera du côté où elle est le plus concentrée vers le côté de la membrane où elle l'est moins et ce jusqu'à équilibre des concentrations.

Imaginez un aquarium divisé en deux par une grille dont les mailles sont assez grandes pour laisser passer les poissons qui sont regroupés du côté gauche. Que devrait-on observer après un certain temps ?

I-66

•

Transport passif : se fait sans dépense d’énergie de la part de la cellule.

•

Transport actif : nécessite une dépense d’énergie de la part de la cellule.

La cellule

Eh oui, les poissons vont occuper tout l’espace disponible et on devrait bientôt compter à peu près cinq poissons dans chacun des deux compartiments.

Remplacez les poissons par des molécules dissoutes dans de l’eau et la grille par une membrane percée de pores assez gros pour laisser passer ces molécules dissoutes. Si on place plus de molécules d’un côté que de l’autre, on devrait observer un déplacement des molécules du côté où elles sont les plus nombreuses vers le côté où elles le sont moins. C’est ça la diffusion.

Les molécules de soluté (les petits points noirs) diffusent à travers la membrane, de la zone la plus concentrée à la zone qui l’est moins.

Lorsque l’équilibre des concentrations est atteint, il se déplace alors autant de molécules de gauche à droite que de droite à gauche.

La diffusion se fait toujours de la zone où la concentration est la plus élevée à la zone où la concentration est plus faible

Concentration élevée

Concentration faible

En effet, les molécules dissoutes se déplacent au hasard à haute vitesse dans l'eau (toute molécule dissoute dans un liquide est animée d'un mouvement continuel). S'il y a plus de molécules d'un côté de la membrane que de l'autre, globalement, il y aura plus de molécules qui se déplaceront de la zone à haute concentration vers la zone à plus faible concentration que l'inverse. Globalement, il y aura donc déplacement de la substance de la zone à haute concentration vers la zone à faible concentration. À l'égalité des concentrations, les molécules continuent à traverser la membrane sauf qu'il y en a autant qui se déplacent dans un sens que dans l'autre. Globalement, les concentrations demeurent donc égales.

I-67

Chapitre 1

Lorsqu’une substance est plus concentrée dans une région que dans une autre, on dit alors qu’il y a un gradient de concentration entre les deux régions. Si la substance peut se déplacer d’une région à l’autre, elle le fait toujours en suivant son gradient de concentration, c'est à dire de la zone la plus concentrée à la zone qui l’est moins.

Gradient de concentration = Différence de concentration entre deux régions.

Une substance diffuse toujours en suivant son gradient de concentration, c’est à dire du plus concentré au moins concentré.

Si une substance est plus abondante dans le liquide interstitiel entourant la cellule qu’à l’intérieur de la cellule, et si la membrane se laisse traverser par cette substance, on devrait observer une diffusion de la substance de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. C’est ainsi que l’oxygène quitte les vaisseaux sanguins pour pénétrer dans les cellules, par exemple.

Des substances peuvent traverser la membrane : • En traversant directement les deux couches de lipides.

C'est le cas des petites molécules comme l’eau, l’oxygène ou le gaz carbonique et des substances solubles dans les gras.

• En passant par de petits canaux formés par des protéines traversant toute l'épaisseur de la membrane. C’est ainsi que l'eau et les électrolytes traversent la membrane.

Certains de ces canaux sont très sélectifs et ne laissent passer qu'une ou quelques substances bien précises.

Certains de ces canaux peuvent aussi s'ouvrir ou se fermer en réponse à des signaux chimiques ou électriques au niveau de la membrane.

12.1.2 La diffusion facilitée.

Certaines protéines de la membrane peuvent s’associer à une molécule et relâcher cette molécule de l'autre côté de la membrane. Ce mode de déplacement est appelé diffusion facilitée. Le glucose, par exemple, pénètre dans les cellules par diffusion facilitée.

On croît que le passage de la substance à travers la membrane s’effectue suite à un changement de la forme de la protéine à laquelle elle se lie. Le changement de forme de la protéine a pour effet de déplacer la substance d’un côté à l’autre de la membrane.

I-68

Même si les ions sont généralement de très petite taille (Na+, Cl-, K+, Ca++, ...) ils ne peuvent pas passer à travers les couches de lipide. Ils traversent la membrane en passant par de petits canaux protéiques remplis d’eau.

La diffusion facilitée ne nécessite pas une dépense d’énergie de la part de la cellule. Comme la diffusion simple, elle se fait toujours en suivant un gradient de concentration (de la région la plus concentrée à celle qui l’est moins).

La cellule

Le glucose pénètre dans les cellules par diffusion facilitée. L’insuline, l’hormone qui abaisse le taux de glucose dans le sang, a pour effet, d’augmenter dans les membranes des cellules le nombre de protéines pouvant transporter du glucose. Sous l’effet de l’insuline, les cellules deviennent donc plus perméables au glucose. Celui-ci pénètre dans les cellules ce qui en fait baisser le taux dans le sang.

Osmose = Diffusion de l’eau à travers la membrane.

Protéine servant de transporteur

12.1.3 L'osmose Puisque la membrane est perméable à l'eau, l’eau peut donc diffuser à travers la membrane s’il existe un gradient de concentration de part et d’autre de celle-ci. On appelle osmose la diffusion de l’eau.

Il y a osmose si deux zones de concentrations différentes sont séparées l’une de l’autre par une membrane perméable à l'eau. L'eau se déplace alors de la zone la moins concentrée en soluté à la zone la plus concentrée en soluté non diffusible.

Lorsqu’on compare les concentrations de deux solutions : • La solution la plus concentrée en soluté est dite hypertonique par rapport à l’autre.

• La solution la moins concentrée en soluté (la plus diluée), est dite hypotonique par rapport à l’autre.

• Si les deux solutions ont la même concentration, on les dit isotoniques l’une par rapport à l’autre.

L’osmose se fait toujours d’une région hypotonique à une région hypertonique.

I-69

Chapitre 1

Plus une solution est concentrée en soluté, plus son osmolarité est élevée. L’osmolarité est une mesure de la concentration qui s’exprime en nombre de particules dissoutes par unité de volume.

Les deux compartiments sont maintenant isotoniques

Solution hypertonique

Solution hypotonique

L’eau se déplace par osmose du compartiment hypotonique (à gauche) vers le compartiment hypertonique (à droite).

Notez bien que c’est l’eau qui se déplace et non le soluté (la membrane ne le laisse pas passer).

H2O

H2O

Membrane perméable à l’eau, mais pas au soluté

Il y a plus de molécules d’eau dans le compartiment hypotonique que dans le compartiment hypertonique. L’eau se déplace de là où elle est abondante à là où il y en a moins. C’est l’osmose.

Molécule d’eau

Molécule de soluté

Compartiment hypotonique

Compartiment hypertonique

Ex. On plonge une cellule dans une solution concentrée en sel (NaCl) (la membrane cellulaire est perméable à l’eau mais à peu près imperméable au sel):

Quelle région est hypertonique?

Laquelle est hypotonique?

Dans quel sens se déplacera l’eau ?

Et si la membrane était perméable au sel, que se passeraitil?

I-70

Sur ce dessin, les petits points représentent le sel. Si la membrane est imperméable au soluté, dans quel sens se déplacera l’eau?

La cellule

Dans l’organisme, l’eau se déplace d’une zone à l’autre par osmose : de l’intestin au sang, du sang au liquide interstitiel et du liquide interstitiel aux cellules.

Que représente chacune des lignes pointillées sur le schéma ci-contre?

Pourquoi les solutés injectés aux patients sont-ils généralement isotoniques avec les liquides de l’organisme? Que se produirait-il si on injectait dans la circulation un produit hypotonique?

Et si on injectait un produit hypertonique?

Pourquoi peut-on conserver des aliments en les plongeant dans de la saumure (solution saturée en sel) ?

Le transport actif ressemble à la diffusion facilitée sauf que : • •

Il nécessite une dépense d’énergie de la part de la cellule.

Il peut se faire contre le gradient de concentration.

40% de toute l'énergie que nous dépensons tous les jours sert à entretenir les mécanismes de transport actif au niveau des membranes de nos cellules.

12.2 Transport actif •

Peut se faire contre le gradient de concentration. C’est-àdire en sens inverse de la diffusion.

•

Nécessite une dépense d'énergie de la part de la cellule.

•

Nécessite un transporteur protéique On observe, dans l'épaisseur de la membrane des cellules, des protéines spéciales, appelées transporteurs, qui agissent comme des "pompes". Ces protéines peuvent se fixer à une substance puis, en se déformant, faire traverser la membrane à cette substance. Ce mécanisme demande une dépense d'énergie de la part de la cellule.

I-71

Chapitre 1

Transport actif La molécule transportée pénètre dans le transporteur. La déformation du transporteur permet à la molécule de pénétrer dans la cellule. Cette déformation nécessite une dépense d'énergie de la part de la cellule.

Les acides aminés ainsi que certains électrolytes comme le Na+ et le K+ sont transportés contre leur gradient de concentration par transport actif.

Le transport actif permet à la cellule de maintenir une composition chimique interne différente de la composition chimique du milieu dans lequel elle baigne. Sans les mécanismes de transport actif, les concentrations s'équilibreraient par diffusion, la composition interne deviendrait sensiblement identique à la concentration externe. C'est ce qui se produit à la mort de la cellule.

I-72

La cellule

COMPOSITION CHIMIQUE DES FLUIDES EXTRA ET INTRACELLULAIRES

Na+

142 mEq/L

10 mEq/L

K+

5 mEq/L

141 mEq/L

5 mEq/L

< 1 mEq/L

3 mEq/L

58 mEq/L

103 mEq/L

4 mEq/L

HCO3

28 mEq/L

10 mEq/L

Phosphates

4 mEq/L

75 mEq/L

SO4 --

1 mEq/L

2 mEq/L

Glucose

90 mgm %

0 à 20 mgm %

Acides aminés

30 mgm %

200 mgm %

Phospholipides Graisses neutres

0,5 gm %

2 à 95 gm %

pH

7,4

7,1

Ca

++

++

Mg -

Cl

-

Cholestérol

FLUIDES EXTRACELLULAIRES

FLUIDES INTRACELLULAIRES

I-73

Chapitre 1

12.3 Transport en vrac Certaines cellules peuvent absorber ou rejeter une substance en l'enfermant dans une partie de leur membrane. Cette déformation de la membrane nécessite une dépense d’énergie de la part de la cellule.

•

Exocytose : une vésicule du cytoplasme (c’est un petit sac renfermant une substance) s’accole à la membrane et s’y fusionne.

Le contenu de la vésicule est alors rejeté à l’extérieur de la cellule. C’est de cette façon, par exemple, que les cellules de l’intestin rejettent les enzymes digestives nécessaires à la digestion des aliments.

•

Endocytose : la membrane se déforme en s’invaginant vers l’intérieur. Il se forme une vésicule contenant une partie du milieu extérieur. La vacuole se détache de la membrane et migre dans la cellule.

Endocytose

Cytoplasme

Cytoplasme

Exocytose

Lorsque la substance absorbée par endocytose est une grosse particule (une bactérie absorbée par un globule blanc par exemple) on parle alors de phagocytose.

PHAGOCYTOSE D'UNE BACTÉRIE PAR UN GLOBULE BLANC Bactérie

globule blanc

G. Bourbonnais

noyau cellulaire vacuole contenant des enzymes digestives

I-74

La cellule

13 Réticulum endoplasmique et appareil de Golgi Ces deux structures cellulaires sont formées de replis de la membrane formant des sacs communiquant entre eux (reticulum endoplasmique) ou empilés les uns sur les autres (Golgi).

Rôle:

•

Stockage de substances

•

Transport intracellulaire o à l'intérieur du reticulum endoplasmique o par de petites vésicules d'exocytose et d'endocytose

•

Modifications chimiques de substances stockées

Membrane du noyau

Vésicule Appareil de Golgi

Noyau Noyau Réticulum endoplasmique

Ribosomes Membrane cellulaire

Réticulum endoplasmique

Appareil de Golgi

I-75

Chapitre 1

14 Mitochondries et métabolisme énergétique La respiration du glucose se fait en de nombreuses étapes. La plupart de ces étapes se déroulent dans les mitochondries.

Plus une cellule dépense d’énergie, plus elle contient de mitochondries.

14.1 Structure Les mitochondries sont de petites structures mesurant moins d’un micromètre. Leur nombre, dans chaque cellule, peut varier de quelques dizaines à plusieurs milliers. Plus une cellule dépense d'énergie, plus elle travaille, plus elle contient de mitochondries.

Mitochondrie

Membrane externe Membrane interne

Mitochondrie

14.2 Production d'énergie par respiration Pour se maintenir en vie, une cellule doit continuellement dépenser de l'énergie. Cette énergie sert à activer les nombreuses réactions chimiques qui se déroulent à l'intérieur de la cellule.

L'énergie nécessaire est produite dans la mitochondrie par un processus chimique appelé respiration.

I-76

Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire qui fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule.

La cellule

La respiration est un processus chimique analogue à la combustion. Au cours de ce processus, de la matière organique (sucres, gras ou acides aminés des protéines) se combine à de l'oxygène. Cette opération chimique transforme la matière organique en matière inorganique plus simple, essentiellement de l'eau et du gaz carbonique.

matière organique (glucide, lipide ou acide aminé) + O2 matière inorganique + H2O + Énergie

Matière organique = matière constituée de grosses molécules contenant plusieurs atomes de carbone. C'est le cas des principales molécules formant la matière vivante (sucres, protéines, gras, etc.).

Matière inorganique = matière formée de petites molécules ne contenant pas d'atomes de carbone ( H2O, NaCl, NH3, SO2 par exemple) ou n'en contenant qu'un seul (comme le CO2 par exemple).

Bien que les cellules puissent également "brûler" des lipides ou même des acides aminés, le glucose (petite molécule de sucre) demeure néanmoins leur combustible préféré.

1 C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O + E

I-77

Chapitre 1

G. Bourbonnais

La respiration du glucose

1 C6 H12 O6

6 O2

6 CO2

6 H2 O

Carbone Oxygène Hydrogène

Au cours d'une combustion, la réaction chimique entre la matière et l'oxygène est rapide et l'énergie se dégage rapidement sous forme de chaleur. La respiration, elle, se fait en de nombreuses étapes au cours desquelles l'énergie est dégagée dans la cellule de façon progressive. Une partie de l'énergie dégagée servira à effectuer un travail chimique dans la cellule. Le reste de l'énergie dégagée se perd en chaleur.

La plupart des étapes de la respiration se déroulent dans la mitochondrie. La mitochondrie est donc la centrale énergétique des cellules.

I-78

La cellule

14.3 Le transport de l'énergie dans la cellule Dans la cellule, certaines réactions chimiques dégagent de l’énergie = réactions exergoniques :

X

Y E

D’autres (la plupart) en nécessitent = réactions endergoniques

B E Les réactions exergoniques peuvent fournir aux réactions endergoniques l’énergie dont elles ont besoin :

X

Y E B

La principale réaction exergonique de la cellule, c’est la respiration cellulaire mat. organique + O2 → mat. inorganique + E ex. respiration du glucose 1 C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + E

L’énergie produite par respiration sert à activer les réactions endergoniques.

1 C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O E Travail cellulaire

I-79

Chapitre 1

Le transfert de l’énergie de la respiration (exergonique) aux réactions endergoniques qui la consomment se fait par l’intermédiaire d’une molécule, l’adénosine triphosphate ou ATP Structure de l’ATP L’ATP est une molécule formée • d’une base azotée : adénine • d’un sucre à 5 C : ribose • de trois groupements phosphate (H3PO4)

Base azotée (adénine)

Groupement phosphate

Sucre (ribose)

Adénosine triphosphate (ATP) Les liaisons entre les phosphates sont faciles à briser ou à reformer. Si la liaison retenant le troisième phosphate est brisée, il y aura alors libération d’énergie.

ATP

ADP + P E

Inversement, il faut fournir de l’énergie pour refaire la liaison P ADP + P

ATP E

I-80

La cellule

P

P

P

P

ATP

+

P

ADP

+

P

P

+ +

29,2 kJ

E

L’énergie libérée quand l’ATP devient ADP + P peut servir à activer une réaction endergonique

B E ADP + P

ATP

On représente par une double flèche ce type de réaction couplée (où l’une fournit de l’énergie à l’autre) :

B ATP

ADP + P

De même, une réaction exergonique peut fournir l’énergie pour reformer de l’ATP : X

Y E

ADP + P

ATP

On écrira plutôt :

X ADP + P

Y ATP

I-81

Chapitre 1

Ex. respiration cellulaire (réaction fortement exergonique) :

1 C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O

36 ADP + 36 P

36 ATP

L’énergie du glucose est maintenant accumulée dans les ATP qui peuvent se déplacer dans la cellule et fournir de l’énergie partout où il en faut.

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

I-82

La cellule

Rendement de la respiration (i.e. proportion de l'énergie contenue dans le glucose qui se retrouve sous forme d'énergie chimique dans l'ATP):

Les acides aminés et les lipides peuvent être modifiés en substances pouvant être dégradées, en présence d'oxygène, dans la mitochondrie. Ils peuvent donc aussi fournir de l'énergie. Les glucides autres que le glucose peuvent être modifiés en glucose (ou en fructose).

N.B. Les plantes aussi respirent. Comme tout être vivant, elles ont besoin d'énergie pour vivre. L'énergie lumineuse qu'elles captent est utilisée pour synthétiser du glucose par photosynthèse à partir de CO2 et de H2O. Ce glucose est ensuite respiré dans les mitochondries des cellules.

Même si les gras sont plus difficiles à brûler, ils fournissent plus d'énergie à la cellule que les sucres :

•

Énergie fournie par 1g de glucides (sucres) ou 1 g de protéines :

•

Énergie fournie par 1g de lipides (gras) :

Dépense énergétique quotidienne d'une personne :

Énergie consommée selon l'activité Repos total :

Énergie fournie par certains aliments 1 carotte :

Assis:

1 banane :

Debout:

100 g de bœuf haché :

Marche:

1/2 tasse d'arachides :

Jouer au tennis :

1 bière :

I-83

Chapitre 1

Si une personne demeurait couchée et immobile pendant toute une journée (24 heures) combien d'énergie dépenserait-elle ?

En diététique, on utilise souvent, comme unité d'énergie, la Calorie (la grande calorie, avec un grand C) qui équivaut à 1 Kcal ou 1000 calories (petites calories, avec un petit c). Grande ou petite calorie, peu importe, selon le système international de mesures on ne devrait utiliser, comme unité de mesure de l'énergie, que l'unité joule. Un joule vaut environ 1/4 de calorie (exactement, 4.1855 joules = 1 calorie). C'est pourquoi, de plus en plus souvent, la valeur énergétique des aliments ou les dépenses énergétiques d'une personne s'expriment en kilo joules (1 kilo joule = 1000 joules).

I-84

La cellule

15 Le noyau • Vu au microscope optique, le noyau apparaît comme une masse sombre granulée. On y distingue souvent un ou plusieurs nucléoles, petits amas denses et sphériques de tailles variables.

• Le noyau est délimité par une double membrane percée de nombreux pores microscopiques.

Vésicule

Nucléole

Appareil de Golgi

Mitochondrie

Noyau

Gilles Bourbonnais

Réticulum endoplasmique

Membrane cellulaire

Comme nous le verrons au prochain chapitre, le noyau renferme les gènes et les chromosomes responsables de nos caractéristiques physiques héréditaires.

I-85

Chapitre 1

16 Les chloroplastes et la photosynthèse Contrairement aux animaux qui doivent absolument absorber des molécules organiques en se nourrissant d'autres êtres vivants, les plantes peuvent fabriquer à partir de matières inorganiques les matières organiques dont elles ont besoin pour vivre (glucides, lipides, protides...).

E lumineuse

Photosynthèse

Mat. organique + O2

Mat. inorganique Respiration

E (ATP)

La photosynthèse constitue l'étape principale de ce processus de synthèse de matière organique à partir de matières inorganiques:

6 CO2 + 6 H2O ATP

I-86

1 C6H12O6 + 6 O2 ADP + P

La cellule

Les principales étapes de cette réaction se déroulent dans les chloroplastes.

Selon le type de cellule, le nombre de chloroplastes varie de 1 à 200.

Les thylakoïdes des chloroplastes contiennent: • chlorophylle (principal pigment) (deux types, a et b) • xanthophylles (pigments jaunes) • caraténoïdes (pigments rouges orangés) Ces pigments ont la propriété de pouvoir capter et transmettre à d'autres molécules l'énergie lumineuse.

I-87

Chapitre 1

En simplifiant énormément le processus impliquant de nombreuses réactions on peut résumer ainsi la photosynthèse: La première étape de cette réaction consiste en l'acceptation de l'énergie solaire par la chlorophylle. e E Chaleur Lumière (fluorescence)

E lumineuse

e 10-9 s

Chlorophylle activée

Chlorophylle État fondamental

L'énergie ainsi captée sert à former des ATP à partir d'ADP et de P. e

ADP + P

ATP

Chlorophylle activée

L'énergie contenue maintenant dans l'ATP sert à former du glucose (l'ATP redevenant ADP et P).

I-88

La cellule

Énergie lumineuse

E E

chlorophylle

chlorophylle activée

ATP

ADP + P

CO2 + H2O

GLUCOSE + O2

La photosynthèse (très, très, très simplifiée)

I-89

Chapitre 1

LA GLYCOLYSE CH2OH O H

H

H OH

H

H

OH

OH

OH

glucose (molécule à 6 C) (C6H12O6) ATP ADP

hexokinase

glucose 6-phosphate phosphohexose isomérase

fructose 6-phosphate ATP ADP

phosphofructokinase

fructose 1,6-diphosphate aldolase

dihydroxyacétone 3-phosphate (molécule à 3 C)

phosphoglycéraldéhyde (PGAL) (molécule à 3 C)

Pi

NAD NADH2

triose phosphate déshydrogénase

1,3-diphosphoglycérate ADP ATP

phosphoglycérate kinase

3-phosphoglycérate phosphoglycérate mutase

2-phosphoglycérate énolase

Bilan de la glycolyse

H2O

cycle de Krebs chaîne respiratoire

pyruvate kinase

ADP ATP

pyruvate O

=

2 NAD 2 ADP + 2 Pi

2 pyruvate + 2NADH2 + 2 ATP

CH3 - C - COOH

Ce schéma représente les premières étapes de la respiration du glucose. Cette partie de la respiration se déroule dans le cytosol. La substance obtenue, le pyruvate, est ensuite acheminée dans la mitochondrie où se dérouleront les autres étapes de la respiration.

I-90

Gilles Bourbonnais

phosphoénolpyruvate

1 glucose

La cellule

pyruvate

O

CH3 C COOH NAD

CoASH

complexe enzymatique CO2

NADH2 O CH3 C S CoA

acétyl-coenzyme A

acide oxaloacétique NADH2

COOH CH2 COOH

COOH HC OH

COOH

C O

NAD

malatedéshydrogénase

CH2

enzyme de condensation

acide

HO C COOH CH2 citrique COOH

CH2 COOH H2O

aconitase

acide malique

COOH

fumarase

CH2

COOH CH

acide isocitrique

H C COOH HO C H COOH

acide fumarique

CH COOH

NADP

FADH2

CYCLE DE KREBS

isocitricodéshydrogénase

succinodéshydrogénase

NADPH2 COOH

FAD

COOH CH2

CH2

acide oxalosuccinique H C COOH

acide succinique

CH2

C O COOH

Gilles Bourbonnais

COOH CoASH

oxalosuccinodécarboxylase

succinyl-CoAsynthétase CoASH

GDP P

COOH CH2

COOH

GTP

α-cétoglutariquedéshydrogénase

CH2 CH2 C O S CoA

CH2 C O COOH

CO2

acide α-cétoglutarique

succinyl-coenzyme A

NAD CO2

NADH2

Ces étapes de la respiration se déroulent dans les mitochondries, de même que les étapes illustrées à la page suivante.

I-91

Gilles Bourbonnais

Chapitre 1

I-92