Dr N.BRUNEAU Hop. Cl. Huriez CHRU Lille MOLECULES DU VIVANT Dr N.BRUNEAU Hop. Cl. Huriez CHRU Lille

INTRO L’organisme humain est composé à 96% de: Le reste: Oxygène: O Hydrogène: H Carbone: C Azote: N Le reste: Souffre, calcium, magnésium, chlore… Glucides, lipides, protéines

Intro Atome La + petite unité de matière Composé d’un noyau (neutrons + protons) et d’électrons Charge neutre (protons= +, électrons= -)

Perte 1 charge (anions): Cl – Gain 1 charge (cations): Na+, K+ Gain 2 charges (cations): Ca²+

INTRO Molécule plusieurs niveaux d'organisation : atomique, moléculaire, cellulaire, tissulaire, organique, des systèmes, et enfin l'organisme La molécule est une association d'atomes + stable qu’un atome Pour simplifier: Molécules inorganiques (eau, électrolytes, gaz…) Molécules organiques (glucides, lipides, protéines)

I - composés inorganiques - L’eau - Les électrolytes - Les oligoéléments - Gaz

1) Eau= H2O constituant essentiel des cellules (+ de 60% du volume cellulaire) propriétés Transport des nutriments Réactions du métabolisme catalysées par les enzymes Transfert de l’énergie chimique

a) Répartition de l’eau EAU = 60-70% du poids(40l)

Variations: - L’âge :du nouveau né (75% du poids total) au sujet âgé (45%) - Les tissus: os< muscles< CERVEAU !!! ( 70- 80%) - Le sexe: ♂ > ♀ - masse graisseuse NB : LCR, liquides articulaires et digestifs ne font pas partie du milieu intérieur

b) Régulation eau Le corps humain ne peut pas stocker l’eau Élimination permanente Urine +++ Transpiration Respiration Apport d’eau (boisson ou aliments) = obligatoire Importance de la sensation de soif 1L /aliments et 1.5L/ boissons 3 jours sans boire 40 jours sans manger

Sorties ENTREES Exogène = alimentaire Rénale Ou perfusion IV Sueur 1500 à 2500 ml/j Endogène 300 à 500ml/j Sorties Rénale Sueur respiration autres faible en temps normal (diarrhée, vomissement, …)

REGULATION DE L’EQUILIBRE HYDRO MINERAL L’EAU ET LE TUBE DIGESTIF 7000 à 8000ml d’eau sécrétées puis réabsorbées Iléon et colon droit

L’EAU ET LE REIN – LE NEPHRON Chaque rein contient 1 million de néphrons

REGULATION DE L’EQUILIBRE HYDRO MINERAL L’EAU ET LE REIN Déshydratation Hyperhydratation ↑ osmolarité ↓ osmolarité HYPOTHALAMUS DEGOUT EAU SOIF Hypophyse ADH Elimination d’eau Réabsorption d’eau hormone anti diurétique Diminution de la diurèse Augmentation de la diurèse

Poids total Eau = 70 % Eau Extra-cellulaire Intra-cellulaire 1/3 2/3

Les compartiment intra et extra cellulaires sont séparés par une membrane semi perméable Membrane= membrane cellulaire Semi perméable= laisse passer l’eau de façon passive mais pas les ions Les ions passent à travers des canaux. Requiert de l’énergie

Osmolarité= concentration de molécules osmotiquement actives, par litre, dans une solution somme de: Na+, K+, Cl-, Mg 2+ ….. Dans le sanguin humain elle est comprise entre 280 et 300 mOsm/L

A l’état de repos il existe un équilibre osmotique entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire En cas de modification de l’osmolarité d’un de ces milieux seront mis en jeu différents phénomènes de régulation afin de rétablir au plus vite cet équilibre.

Extra-cellulaire Intra-cellulaire Na+ Na+ Na/K ATPase K+ Na+ K+ K+ Osmolarité stable 290 mosmoles/L L’eau circule librement entre les compartiments intra et extra-cellulaire en fonction du gradient osmotique L’osmolarité du compartiment intracellulaire est principalement du au K+ L’osmolarité du compartiment extracellulaire est principalement du au Na+

Premier principe: gradient osmotique = 0 EAU 270 mmol/L 290 mmol/L EAU 250 mmol/L 270 mmol/L TROP d’eau Hypo-osmolarité

Hyper osmolarité PAS ASSEZ d’eau EAU EAU 310 mmol/L 290 mmol/L

2) Electrolytes « composés chimiques qui, dissous dans un solvant tel que l’eau, ont la propriété de se dissocier en ions de charges électriques opposées » CATIONS chargés + : Na+ ,K+, CA2+, Mg2+ ( migrant vers la cathode ) ANIONS chargés – : Cl-, HCO3- ( migrant vers l’anode )

Le ionogramme S’exprime en mmol/L (ou en mEq/L) Peut être sanguin, urinaire, LCR …

A) le sodium (Na +) Le sodium est le principal cation du secteur extra cellulaire Natrémie : 133 – 143 mmol / L. a) Bilan entrée sortie b) Régulation c) Natrémie anormale

a) Bilan entrée sortie ENTREES Alimentaires: 2 à 8 g/j Perfusion IV: NaCl 20% 10ml=2g NaCl 0,9% 1000ml = 9g BicarNa 1,4% 500ml=4,5g Ringer 1000ml =6 à 8g SORTIES Digestives: Selles + Pathologie (diarrhée,stomie,gastrique..) Urinaires: dépendent du Système RENINE ANGIOTENSINE ALDOSTERONE qui favorise la réabsorption du sodium et l’élimination du potassium au niveau du tubule distal du néphron

b) REGULATION DU SODIUM Rôle du tube digestif 20 à 30g de Na(NaCl) sont sécrétés puis réabsorbés Au niveau jéjunal iléal et colique Activement Passivement

Sécrétion rénine= activée (en qq secondes) par b) Régulation du sodium rôle du rein: système rénine angiotensine aldostérone Rénine Sécrétion rénine= activée (en qq secondes) par baisse de la pression dans l’artère rénale (baisse de la Pression artérielle ou PA) Baisse de la natrémie Secrétion rénine= inhibée par augmentation PA Augmentation natrémie Sécrétion aldostérone (rétrocontrôle négatif)

Angiotensine II Puissant vasoconstricteur: permet d’augmenter la PA stimulation de la production d’aldostérone stimulation de la soif appétence au sel

Aldostérone : retient le sodium et l'eau en favorisant l'élimination dans l'urine du potassium (pompe Na/K ATPase) = augmentation de la natrémie et diminution de la natriurèse. Facteur natriurétique auriculaire (FNA) : inhibe la sécrétion de l’aldostérone et augmente le débit de filtration glomérulaire = diminution de la natrémie et augmentation de la natriurèse. -

c) Dysnatrémies Hypernatrémie Na 140 IC EC IC EC H2O Natrémie 148 EAU 290 300mmol/L 310 300mmol/L IC EC IC EC H2O Na 140 Natrémie 148 Osmolarité

c) dysnatrémie Hypernatrémie (suite) Définition: Na+ > 145 mEq/L Mécanisme: Hypernatrémie → hyper-osmolarité plasmatique → transfert de l’eau du secteur intracellulaire vers le secteur extracellulaire. Deshydratation= mécanisme de perte d’eau Causes: Défaut d’apport en eau libre Perte eau libre (diarrhée, brulés, vomissement) Surcharge en sel (rare) Population concernée: nourrissons et personnes âgées

!!! Correction de la Natrémie = maxi 8-10 mmol/L sur 24h SC: Dépend de la vitesse d’installation Signes de DIC: soif intense, sécheresse muqueuses, signes neurologiques non spécifiques Ttt: Apport en eau libre (surveillance +++ de la natrémie) !!! Correction de la Natrémie = maxi 8-10 mmol/L sur 24h

Hyponatrémie Natrémie diminue 125 Na 140 Osmolarité diminue IC IC EC H2O Natrémie diminue 125 Osmolarité diminue Na 140

Hyponatrémie (suite) Définition: Na+ < 135 mEq/L Mécanisme: Hyponatrémie → hypo-osmolarité plasmatique → diffusion de l’eau du secteur extracellulaire vers le secteur intracellulaire Hyperhydratation intracellulaire= mécanisme de surcharge en eau Causes Iatrogene Atteinte rénale SIADH Polydipsie (psy, sd des buveurs de bière)

SC: Hyperhydratation intra-cellulaire : nausée, vomissement, dégoût de l’eau, prise de poids, trouble de la conscience, asthénie, convulsion. Ttt: restriction hydrique Natrémie = reflet de l’état d’hydratation du secteur intracellulaire PAS DU CAPITAL SODE !!!!!

Environ 10% stockés dans les os Rôle: B) Le potassium (K+) Kaliémie= 3,5 à 5 mEq/L= 2% K+ intracellulaire= 90% du K+ total (surtout cellules musculaires, myocarde, hématies) Environ 10% stockés dans les os Rôle: Polarisation membranaire Automatisme cardiaque Contraction musculaire

Entrée Sortie a) Bilan entrée sortie Apports alimentaires Hydrique Endogène: catabolisme cellulaire Sortie Rénale +++ Digestive: vomissement, selles +/- Cutanée +/-

b)Régulation du potassium La kaliémie est une mauvaise représentation des apports en potassium Excès d’apport: stockage dans les cellules Défaut d’apport: sortie de K+ vers le secteur extracellulaire SRAA Échange contre des ions Na+ Aldostérone: réabsorption de Na+ et élimination de K+

alcalose Insuline Glucocorticoide Médicament (salbutamol, cortico) Acidose Lyse cellulaire K+ K+ entrée cellule sortie Secteur plasmatique

Définition: K+ > 5 mmol/L Causes c) Dyskaliémie Hyperkaliémie Définition: K+ > 5 mmol/L Causes Lyse cellulaire (rhabdomyolyse, crush Sd) Insuffisance rénale Iatrogène Insuffisance surrénale Apport excessif Diabète acidose

Électrocardiogramme systématique SC: dépendent de la sévérité et de la rapidité d'installation de l'hyperkaliémie tremblements et paresthésies des membres, une faiblesse musculaire des membres inférieurs, bradycardie (ralentissement du rythme cardiaque), des palpitations cardiaques, des nausées ou des vomissements peuvent se voir. Électrocardiogramme systématique

TTT: > 6.5 mmol/L: hospitalisation en réanimation Rentrer le K+ ou sortir le K+ K+ Insuline salbutamol cellule Kayexalate dialyse exterieur Secteur plasmatique K+

Hypokaliémie K+ < 3.5 (<3 !!!) Causes: SC: ECG Pertes digestives (vomissements, diarrhée) Iatrogènes (diurétiques, insuline…) SC: Troubles rythme cardiaque Crampes musculaires ECG

TTT = apport de K+ (attention maxi 0.5g/h sur voie veineuse périphérique et maxi 1g /h sur VVcentrale)

C) Calcium Calcémie: Ca2+ =2.3 et 2.6mmol/L (95-105 mg/L) Répartition:2% du poids Squelette 99% Plasma 1% 40% liés aux protéines 60% ionisé Rôle: Coagulation,excitabilité neuro musculaire, contraction musculaire

99% a) Entrées, sorties Apports Alimentaires 12 à 35mmol/j Lait Œufs Eau min !!!grossesse IV ou cp a) Entrées, sorties Apports Alimentaires 12 à 35mmol/j 600mg à 1g/j Ca Plasma 2,5mmol/l =1% Vitamine D 99% Selles(18mmol/j) Urines(2mmol/j)

b) Régulation LES HORMONES LA PARATHORMONE PTH Sécrétée par les glandes parathyroides Rôle: - libération du Ca osseux - stimule la formation de VitD - Absorption de Ca par le rein HYPERCALCEMIE LA THYROCALCITONINE Sécrétée par la glande thyroide Rôle: - Inhibe la libération du Ca osseux - Facilite l’élimination rénale HYPOCALCEMIE

SECRETION DE PTH Apports Alimentaires insuffisants Ca Plasma = hypocalcémie Vitamine D insuff Synthèse de Vit D Selles Urines

SECRETION DE thyrocalcitonine Apports Alimentaires Ca Plasma = hypercalcémie Vitamine D Selles Urines

c) dyscalcémies Hypercalcémie Ca2+ > 2.6 (majeures > 3,5 soit 140mg/L) Causes Cancer (50%): métastases osseuses, tumeur secrétante hyperparathyroidie SC Pas de SC Signes osseux Pancréatite …

TTT Ttt de la cause Calcitonine…

Hypocalcémie Ca2+ < 2.2 SC: Neuromusculaires: tétanie Asthénie (fatigue) Causes Hypoparathyroidie Carence en vit D TTT Calcium Vit D

3) Oligoéléments classe de nutriments minéraux nécessaires à la vie présents dans l’organisme en quantité très faibles (< 1mg/kg) » - provoquent des pathologies en cas d’excès ou de déficit Iode, Fer, Cuivre, Zinc, Selenium,Chrome ….. - ne sont pas ionisés ( transport protéique) - rôle de cofacteurs enzymatiques - rôle dans la structure hormonale ( Zn, I) - rôle dans certaines structures tissulaires ( Fluor)

4) gaz A) Di-oxygène (O2) Propriétés Gaz inodore 21% dans l’air, diminue en altitude Rôle Indispensable à la cellule (participe à la production d’énergie)

Transporté par hémoglobine CO2 O2

Pathologies Hypoxie / Anoxie Méthémoglobinémie drépanocytose

B) CO2 Propriétés Dioxyde de carbone ou gaz carbonique < 0.04% dans l’air Transport Hémoglobine Bicarbonate (HCO3) rôle

Dose toxique > 3% pendant plus de 15 min Pathologie Dose toxique > 3% pendant plus de 15 min 15% perte de connaissance brutale (cf incendies dans un avion, intoxication au CO) C) Azote (N) 79% Constituant des acides aminés, ADN… NO vasodilatateur

II. Molécules organiques (contient des atomes de C) 1) Glucides A) structure On les appelle aussi saccharides, hydrates de carbone ou sucre Se divisent en - MONOSACCHARIDES ou sucres simples - DISACCHARIDES - POLYSACCHARIDES ou sucres complexes Peuvent s’associer aux protéines et aux lipides: Glycolipides glycoprotéines

Les MONOSACCHARIDES ou sucres simples GLUCOSE C6 H12 O6 TRIOSE : 3 atomes de C TETROSE : 4 C PENTOSE : 5 C HEXOSE : 6 C HEPTOSE : 7 C CH2OH C O H H Hexoses absorbés sans digestion : C6 H12 O6 GLUCOSE GALACTOSE FRUCTOSE OH C H C O OH C C OH H

Monosaccharides: éléments importants Fructose (5C): Éléments de la structure des acides nucléiques et de coenzymes Glucose (6 C): Principal carburant métabolique des tissus

Association de deux monosaccharides LES DISACCHARIDES Association de deux monosaccharides GLU + GLU → MALTOSE + H2O GLU + FRU → SACCHAROSE GLU + GAL → LACTOSE Nécessitent une hydrolyse enzymatique pour être absorbés par la muqueuse intestinale = sucres rapides

LES POLYSACCHARIDES = association d’un grand nombre d’oses simples AMIDON : chaînes moléculaires de GLU ( 500 000 molécules ). Polysaccharide de réserve des plantes GLYCOGENE : forme de stockage du GLU dans l’organisme Polysaccharide de réserve des mammifères Nécessitent des hydrolyses enzymatiques complexes pour être absorbés par la muqueuse digestive = sucres lents CELLULOSE : contenue dans les fibres végétales: peu / pas digérée

B) Métabolisme des glucides a) apport et digestion b) rôle énergétique c) régulation de la glycémie

a) Apports et digestion Les glucides = 50% de la ration calorique Soit 4g par kg et par jour Sous forme de sucres lents : amidon de sucres rapides : saccharose lactose Digestion Débute dans la bouche puis estomac et surtout duodénum Sauf cellulose…

b) Rôle énergétique GLUCIDES = biomolécules énergétiques Métabolisme = ensemble des réactions biochimiques cellulaires = équilibre entre ANABOLISME : ensemble des réactions qui consomment de l’énergie (synthèse) et CATABOLISME : ensemble des réactions qui fournissent de l’énergie APPORTS > DEPENSES ANABOLISME APPORTS < DEPENSES CATABOLISME

ATP GLUCIDES + O2  CO2 + H2O + E (4 Cal/g) RESPIRATION CELLULAIRE Ex: GLU donne 38 ATP

c) Régulation glycémie GLYCEMIE : taux de glucose sanguin = 1g/l ou 5mmol/l Intérêt de maintenir glycémie ≈ 1g/l HYPERGLYCEMIE : diurèse osmotique, coma…. HYPOGLYCEMIE : manif neuro, coma …. REGULATION: organes hormones

Glycogénolyse: synthèse de glucose à partir du glucogène Réserve de 1 jour Glycogène (150g) GLU glycogénolyse glycogénogénèse GLU Glycogénogénèse: mise en réserve du glucose issu d'une alimentation riche en glucides (insuline) Glycogénolyse: synthèse de glucose à partir du glucogène

MUSCLE: -stocke le GLU en glycogène (250 à 375g); stockage pour sa propre utilisation CERVEAU: -n’utilise que le GLU comme substrat énergétique REIN: -élimine le GLU si > 1,80g/l = glycosurie

Néoglycogénèse (foie): synthèse de glucose à partir de précurseurs non glucidiques Survient lors d’un jeûne prolongé, après épuisement des réserves en glycogène (1 jour) Utilisation des AA (lyse des protéines musculaires) Utilisation des glycérols (lyse du tissu adipeux) Permet une survie de 3 semaines Glycolyse: voie métabolique d'assimilation du glucose et de production d'énergie (insuline)

INSULINE: sécrétée par les cell β des ilôts de Langerhans pancréatiques HYPOGLYCEMIANTE: -active la pénétration du GLU dans les cellules -active la synthèse du glycogène hépatique -active les enzymes de la glycolyse -transformation GLU en lipide(glycerol) -stimule la synthèse protéique ACTIVEE: hyperglycémie (détectée par les cellules pancréatiques)

Hormones hyperglycémiantes GLUCAGON: sécrétée par les cell pancréatiques capteurs pancréatiques ADRENALINE : sécrétée par la médullosurrénale capteurs centres sympathiques +/- cortisol, progestatif, hormones thyroidiennes, STH (GH)…

2) Lipides A) structure constituent la matière grasse des êtres vivants. Ce sont des molécules hydrophobes, non solubles dans l’eau Les lipides peuvent être classés selon la structure de leur squelette carboné (AG, phospholipides, triglycérides…) 2 catégories Lipides de réserve Lipides membranaires

B) Métabolisme lipides a) apport et digestion Apport sous forme essentiellement de TG Digestion par les sels biliaires et enzymes pancréatiques au niveau intestin grêle

Les réserves de lipides sont constituées de TG b) Rôle énergétique Les réserves de lipides sont constituées de TG La + grande réserve d’énergie chez l’animal, surtout en cas de jeûne prolongé La lipolyse: réaction de dégradation des lipides afin de fournir de l'énergie (enz pancréatiques)

c) Régulation des lipides fourniture des acides gras nécessaires à la synthèse des lipides de structure ;

mise en réserve de l’énergie mise en réserve de l’énergie. Lorsque les aliments sont trop riches et excèdent les besoins de l’organisme, les lipides sont stockés dans les tissus adipeux. Quand les adipocytes sont « pleins », multiplication du nb d’adipocytes. Si amaigrissement: les adipocytes se vident mais pas diminution du nb

FONCTIONS DES LIPIDES ENERGIE STRUCTURE ROLES BIOLOGIQUES SPECIFIQUES Hormones Vitamines Coenzymes Transporteurs dʼélectrons Médiateurs

3) Protéines A) Structure L’UNITE de base= l’ACIDE AMINE En général, on parle de protéine lorsque la chaîne contient un grand nombre d’acides aminés, et de peptide pour des assemblages de petite taille (50 AA). On peut théoriquement faire une infinité d'acides aminés. chez l'Homme, comme chez de nombreuses espèces, seuls vingt acides aminés différents sont incorporés dans les protéines lors de la traduction. = Toutes les protéines sont construites à partir de 20 AA différents

Les caractéristiques spatiales sont fondamentales pour leur fonction Toute modification de leur structure 3D va empêcher la protéine de fonctionner Ex: >43°C: destruction enzymatique… décès du patient

8 AA essentiels 2 AA semi essentiels qui ne peuvent être synthétisés par l’homme leucine, thréonine,… 2 AA semi essentiels synthétisés en quantité insuffisantes seuls les nourrissons ont besoin de cet apport histidine et Arginine

B) Métabolisme a) Apport et digestion Protéines animales ou végétales sont désagrégées dans l’estomac et le duodénum et polypeptides puis peptides puis AA Pas de stockage

b) Rôle des protéines Différentes fonction dans l’organisme les protéines enzymatiques: catalysent l'essentiel des réactions chimiques de la cellule les protéines de structure: permettent à la cellule de maintenir son organisation dans l'espace. CYTOSQUELETTE Transport: hémoglobine Hormones Anticorps….

c) Régulation des protéines Synthèse Génétiquement déterminée À partir des AA libres contenus dans la cellule 2 étapes Transcription d’un gène d’ADN en molécule d’ARNm (noyau)

Traduction de l’ARN m L’ARN m sort de la cellule S’accroche à un ribosome 3 nucléotides = 1codon = 1 AA La protéine s’allonge jusqu’à 1 codon STOP Puis la protéine sort de la cellule

Rôle des AA : Synthèse protéique NOYAU ADN AA extracell AA ARNm Protéines Rôle spécif. Foie Muscle Peau Intestin

PATHOLOGIES Glucides Ex:Diabète (carence en insuline) type I ou II I: destruction des cellules qui fabriquent l’insuline II: résistance à l’insuline Lipides Cholestérol (plaque athérome) Protéine Phénylcétonurie Albinisme (pas de synthèse de mélanine)

CONCLUSION L’organisme animal= laboratoire de réaction chimiques en tout genre (respiration cellulaire, fabrication des protéines, stockage glucose…) Chaque élément peut être atteint par une pathologie (congénitale ou acquise) et va perturber cet équilibre parfait