Chimie du vivant Chap. 2

Niveau chimique (Biologie moléculaire) Cellule Organite Macromolécule Molécule Atome -Protons -Neutrons -Électrons Biochimie (laboratoire-hématologie) Chimie Physique (Médecine nucléaire)

La matière La matière, c’est tout ce qui occupe un espace (un volume) et qui possède une masse. Peut exister sous forme solide, liquide ou gazeuse. Eau Humidité de l’air Liquide Glace Page 25

L’énergie Capacité à fournir un travail ou de mettre de la matière en mouvement. Plus grand est le travail, plus grande est la dépense d’énergie. Deux principales formes d’énergies L’énergie cinétique L’énergie potentielle Ces formes sont interchangeables Page 26

Autres formes d’énergie ? É. chimique É. électrique É. mécanique É. lumineuse É. thermique É. hydraulique É. solaire É. éolienne

Matière Énergie L’énergie chimique est emmagasinée dans les liaisons des diverses substances chimiques (atomes). Lors des réactions chimiques (réarrangements des atomes), l’énergie est transformée en matière, la matière est transformée en énergie. Ex: la respiration cellulaire la contraction musculaire

Tableau périodique des éléments (p.1137) Toute matière est constituée de substances fondamentales appelées atomes (éléments chimiques). Tableau périodique des éléments (p.1137) Vous y trouverez tous les éléments fondamentaux (112 éléments, dont 92 présents dans la nature) avec leur symbole chimique. 25 d’entre eux sont utilisés couramment dans la nature. 4 de ces éléments sont particulièrement importants : carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O) et azote (N). Ces quatre éléments représentent 96% de notre masse corporelle. Tableau 2.1 (p.29)

(Symbole chimique)

Structure d’un atome Constitués de : Protons, Neutrons et Électrons Chaque atome possède : Un noyau de charge globale (+) constitué : De protons : charge électrique (p+) De neutrons: charge électrique neutre (n0) Des électrons (e-) orbitant autour du noyau 99.9% de la masse atomique est représentée par le noyau (protons + neutrons) Fig. 2.1 (p.27)

Différents modèles structuraux Modèle des orbitales Modèle planétaire Fig.2.1

Tous les atomes sont électriquement neutres Nombre d’électrons = nombre de protons Ex: Hydrogène : 1 é- et 1 p+ Soufre : 16 é- et 16 p+ Oxygène : 8 é- et 8 p+ Fig.2.2 (p.28)

Identification des éléments Les atomes des éléments sont composés d’un nombre différent de p+, e- et n0. Numéro atomique Égal au nombre de p+, donc aussi d’e-. Nbre de n0 = variable Nombre de masse Masse des p+ et des n0 Ex: Hé (2 p+, 2 n0) = 4 Page 1137

Isotopes Chaque élément a au moins deux variétés d’atomes. Ils ont le même numéro atomique mais; Les nombres de masse diffèrent car les nombres de neutrons varient. Si on change le nombre de protons, ça ne donne plus le même élément. Page 28

Isotopes de carbone

Masse atomique La masse atomique n’est pas égale au nombre de masse (mais à peu près…) C’est la moyenne des masses relatives (nombres de masse) de tous les isotopes d’un élément donné en fonction de leur abondance relative dans la nature.

Radio-isotopes Isotopes les plus lourds d’un élément sont souvent instables. Leurs atomes se décomposent en formes plus stables. Ex: 14C en 12C Ce processus = radioactivité

Réactions et liaisons chimiques Les atomes sont instables. Pour compléter leur dernière couche de valence. Ils tendent à partager, à perdre ou à gagner un ou des électrons. De cette façon ils vont créer des liaisons chimiques

Réactions chimiques . Les atomes ayant plus d'une couche ont tendance à réagir avec d'autres atomes pour combler leur couche externe à 8 électrons (ou 2 électrons sur la 1ière couche). Ce qui leur permet d'atteindre un état stable.

Les atomes se lient entre eux pour former des molécules Les atomes se lient entre eux pour former des molécules. Ces atomes peuvent être identiques... O + O -->O2 - ou être différents : dans ce cas ils forment des composés. O + C + O -->CO2 ( le gaz carbonique)

Rôle des électrons Couches électroniques (ou niveaux d’énergie) Les électrons de la couche la plus éloignée ( couche de valence) ont la plus grande énergie.

Le Na a tendance à céder l’électron unique de sa dernière couche Le Na a tendance à céder l’électron unique de sa dernière couche. Ainsi, le sodium est un donneur d'électrons. Le Cl a 7 électrons sur sa couche externe. Il a donc tendance à accepter un électron supplémentaire pour combler cette couche à 8 électrons. Ainsi, le chlore est un accepteur d'électrons.

Types de liaisons chimiques Liaisons ioniques Liaisons covalentes Polaires Non-polaires Liaisons hydrogènes

Liaisons ioniques Dans une liaison ionique, il y a transfert d'électron(s) d'un élément vers un autre. Il y a des donneurs et des accepteurs d'électrons.

Liaisons covalentes Il y a liaison covalente quand deux atomes partagent certain(s) de leurs électrons. Ils mettent en commun leurs électrons pour compléter leurs couches externes respectives à 8.

Liaisons covalentes Les liaisons covalentes peuvent être : Simples Doubles Triples

Molécule polaire Si la répartition des électrons est inégale. Forme asymétrique O est plus volumineux que H et a tendance à attirer plus fortement l'électron vers lui. Ce qui se traduit par une nouvelle répartition des charges comme suit: O devient électronégatif et H électropositif.

Liaisons hydrogènes Liaisons faibles entre: H et O ou H et N Ainsi, chaque molécule d'eau a le potentiel de se lier simultanément par lien hydrogène à 4 autres molécules d'eau.

Modes de réactions chimiques Trois modes de réactions chimiques : Synthèse Dégradation Échange Un 4ième mode : les réactions d’oxydo-réduction: Type particulier de réaction d’échange ou de dégradation

Réaction de synthèse Combinaison d’atomes ou de molécules pour former une molécule plus grosse et plus complexe. A + B ---> AB Base des activités anaboliques des cellules. Ex : ac. aminé + ac. aminé --> protéine Polymérisation = synthèse = anabolisme

Réaction de dégradation Se produit lorsqu’une molécule est brisée en molécules plus petites ou en chacun des atomes qui la constituaient : AB --> A + B Base des activités cataboliques des cellules. Ex : Glycogène --> molécules de glucose

Réactions d’échange (ou de substitution) Certaines molécules changent de partenaires et forment ainsi de nouvelles molécules. AB + C --> AC + B AB + CD --> AD + BC

La Biochimie Étude de la composition chimique de la matière vivante et des réactions qui se produisent dans celle-ci. Deux grandes classes de composés : Composés inorganiques : Eau Sels Acides Bases Composés organiques (contiennent du carbone) : Glucides Lipides Protéines Acides nucléiques

L’Eau 60 à 80 % du volume de la plupart des cellules vivantes. H2O H+ + OH- 60 à 80 % du volume de la plupart des cellules vivantes. 5 grandes propriétés : (liens d’hydrogènes) Grande capacité thermique Grande chaleur de vaporisation Polarité et qualités de solvant Solvant universel Réactivité Amortissement Lubrifiant

Les Sels Formés de cations autres que H+ et d’anions autres que OH-. Se dissolvent dans l’eau. Les ions agissent comme électrolytes (substances qui conduisent l’électricité lorsqu’elles sont en solution). Ex.: NaCl MgCl2

Acides Les acides sont des donneurs de protons. Dans l’eau, ils s’ionisent et se dissocient en libérant des ions hydrogènes (H+) et des anions. Ex : HCl HCl H+ + Cl-

Bases Les bases sont des donneurs de OH- et des accepteurs de (H+) protons. Ex. NaOH Na+ + OH- Elles libèrent des ions hydroxyle (OH-) Et vu que OH- + H+ --> H2O (équilibre entre H2O, OH- et H+ dans de l’eau liquide) Donc, elles acceptent des ions hydrogène, ou plutôt elles enlèvent les H+ du milieu.

Notion de pH Quantité d’ H+ libres dans un milieu 10-1 = .1 et 10-7 = .00000001 d’ H+ libres Échelle de 0 à 14 (valeur de l’exposant de 10) Neutre à 7 Acidité: plus on va vers 0, plus c’est acide Alcalinité: plus on va vers 14, plus c’est alcalin (ou basique)

Tampons Pour maintenir l’équilibre acido-basique. Acides forts : HCl Se dissocient complètement Acides faibles :H2CO3 Se dissocient partiellement Bases fortes (accepteurs de protons) : NaOH Bases faibles : bicarbonate de sodium Système tampon acide carbonique-bicarbonate H2CO3 H2CO3- + H+

Composés Organiques Quatre types : Glucides Lipides Protéines Acides nucléiques

Caractéristiques des composés organiques Contrairement aux composés inorganiques, les composés organiques contiennent tous des chaînes carbone, c’est-à-dire plus de 2 carbones. Ex. : C-C-C-C-C-C

Glucide

Caractéristiques Regroupe les sucres Contiennent C, H, O. Rapport 2:1 entre H et O. Hydrates de carbones Cn(H2O)n n= 1,2,3,4, etc… Classification selon leur taille et leur solubilité. Plus la molécule est grosse, moins elle est soluble. (Amidon)

Trois classes de glucides Monosaccharides un sucre Disaccharides deux sucres Polysaccharides nombreux sucres

Monosaccharides Unité de base de tous les glucides. Une chaîne ou une structure cyclique de 3 à 6 carbones. pentoses : 5 C hexoses : 6 C Formule générale (CH2O)n 1:2:1 ; C:H:O Glucose : C6H12O6

Monosaccharides Glucose, fructose, galactose : Isomères même formule moléculaire : C6H12O6 disposition différente Ribose et désoxyribose : important pour la formation des acides nucléiques (ADN et ARN)

Disaccharides Sucre double Combinaison de deux monosaccharides (réaction de synthèse) C6H12O6 + C6H12O6 ---> C12H22O11 + H2O Libération d’une molécule d’eau

Polysaccharides Assemblage de plus de deux monosaccharides par synthèse. Cellulose: paroi cellulaire des cellules végétales (fibres) Glycogène : mise en réserve de glucose dans les tissus animaux Amidon : mise en réserve du glucose chez les végétaux

Lipides

Lipides Insolubles dans l’eau Solubles dans les autres lipides et dans les solvants organiques (alcool, éther,...) C, H, O (mais O en plus faible proportion)

Catégories de lipides Graisses neutres (ou triglycérides) Phospholipides Stéroïdes

Graisses neutres deux types d’éléments constitutifs: acides gras chaînes linéaires de C et de H un groupement -COOH glycérol glucide modifié (sucre alcool)

Phospholipides triglycérides modifiés contenant un groupement phosphate (polaire) et deux chaînes d’acides gras (non-polaires) constituants fondamentaux de la membrane cellulaire

Stéroïdes Quatre cycles de carbone Le plus important : le cholestérol Constituant essentiel des hormones, des membranes cellulaires et de la vitamine D.

Protéines

Les Protéines Rôles structurel et fonctionnel pour l’organisme. structure (collagène, kératine), régulation (hormones), mouvement (actine, myosine), transport (hémoglobine), immunité (anticorps), récepteur et transporteur membranaire, métabolisme (enzyme) Molécules les plus variées. Contiennent tous du C, H, O et du N (azote). Unités de base : acides aminés

Protéines Polymères d’acides aminés. 20 types d’acides aminés 2 groupements fonctionnels: amine (-NH2) acide (-COOH) diffèrent grâce à leurs groupements radicaux (R)

Liaison peptidique lors de la liaison, le groupement amine (NH2) d’un a.a. est lié au groupement acide (COOH) d’un autre a.a. dipeptide : deux a.a. polypeptide : plus de 10 a.a.

Acides nucléiques

Acides nucléiques ADN (acide désoxyribonucléique) et ARN (acide ribonucléique) Composés de C, H, O, N et P Les nucléotides sont leurs unités de base. Trois composantes (base-sucre-phosphate): une base azotée (5 types) une molécule de pentose (sucre à 5 C) un groupement phosphate