Molécules du vivant
Les éléments chimiques essentiels à la structure et au fonctionnement de l’organisme.
SOMMAIRE
I. Généralités
La matière vivante est constituée d’éléments chimiques qui s’associent pour former les différentes molécules nécessaires à la structure et au fonctionnement de l’organisme.
Environ 96 % de la masse corporelle est constituée de quatre éléments chimiques principaux :
D’autres éléments sont présents en quantité plus faible mais restent indispensables au fonctionnement de l’organisme :
- calcium (Ca) ;
- phosphore (P) ;
- potassium (K) ;
- soufre (S) ;
- sodium (Na) ;
- chlore (Cl) ;
- magnésium (Mg).
Enfin, certains éléments sont présents en très faibles quantités : ce sont les oligoéléments, comme le fer (Fe), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), l’iode (I), le fluor (F) ou le sélénium (Se).
Ces différents éléments entrent dans la constitution :
- de l’eau ;
- des ions minéraux ;
- des glucides ;
- des lipides ;
- des protéines ;
- des acides nucléiques (ADN et ARN).
Les éléments chimiques s’associent donc pour former des molécules qui participent à la constitution des cellules et permettent leur fonctionnement.
II. Eau (H2O)
L’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène : H₂O.
C’est une molécule polaire : la répartition des charges électriques au sein de la molécule est asymétrique. Cette propriété lui permet notamment d’interagir avec de nombreuses substances et explique son rôle majeur de solvant.
L’eau est la molécule la plus abondante de l’organisme. Elle représente en moyenne environ 60 % de la masse corporelle d’un adulte, avec des variations selon l’âge, le sexe et la composition corporelle.
Rôles de l’eau
L’eau possède de nombreuses fonctions :
- solvant : permet la dissolution de nombreuses molécules et ions ;
- transport : participe au transport des nutriments, électrolytes, hormones, gaz et déchets, notamment dans le sang et la lymphe ;
- milieu réactionnel : de nombreuses réactions biochimiques se déroulent en milieu aqueux ;
- participe aux réactions d’hydrolyse ;
- participe à la thermorégulation, notamment grâce à la transpiration et à l’évaporation ;
- participe au maintien du volume cellulaire et de l’équilibre hydrique ;
- joue un rôle de lubrification, notamment dans les articulations ;
- joue un rôle de protection et d’amortissement, par exemple dans le liquide cérébrospinal ou le liquide amniotique.
- Boissons
- Aliments
- Eau produite par le métabolisme cellulaire
- Urines
- Selles
- Transpiration
- Respiration
III. Oxygène (O)
L’oxygène est un élément indispensable au fonctionnement de l’organisme. Il entre notamment dans la composition de l’eau et de nombreuses molécules organiques.
Dioxygène (O₂)
Le dioxygène est constitué de deux atomes d’oxygène : O₂.
Il représente environ 21 % de l’air atmosphérique.
Il est indispensable à la respiration cellulaire aérobie, processus permettant aux cellules de produire de l’énergie sous forme d’ATP (adénosine triphosphate), principalement au niveau des mitochondries.
Le dioxygène passe des alvéoles pulmonaires vers le sang puis est transporté jusqu’aux tissus :
- en faible quantité sous forme dissoute dans le plasma ;
- majoritairement sous forme liée à l’hémoglobine des globules rouges.
Au niveau des tissus, l’oxygène est libéré puis utilisé par les cellules.
Il intervient également dans de nombreuses réactions d’oxydoréduction, indispensables au métabolisme cellulaire.
Le peroxyde d’hydrogène, également appelé eau oxygénée, est une espèce réactive dérivée de l’oxygène. Il peut être produit au cours de différentes réactions du métabolisme cellulaire.
IV. Carbone (C)
Le carbone est un élément central de la matière vivante.
Grâce à sa capacité à former plusieurs liaisons chimiques, il constitue le squelette des molécules organiques, notamment :
- glucides ;
- lipides ;
- protéines ;
- acides nucléiques.
Il permet ainsi la formation de molécules complexes indispensables à la structure, au métabolisme et au fonctionnement des cellules.
Le CO₂ est notamment produit au cours de la respiration cellulaire. Il diffuse des tissus vers le sang puis est transporté jusqu’aux poumons, où il est éliminé par la ventilation pulmonaire.
Le CO est un gaz incolore et inodore produit notamment lors d’une combustion incomplète. Il possède une très forte affinité pour l’hémoglobine et forme de la carboxyhémoglobine (HbCO).
L’ion hydrogénocarbonate, également appelé bicarbonate, participe au maintien du pH sanguin.
V. Azote (N)
L’azote est un élément essentiel des molécules biologiques.
Il entre notamment dans la composition :
- des acides aminés, constituants des protéines ;
- des bases azotées, constituants de l’ADN et de l’ARN ;
- de nombreuses autres molécules biologiques.
Le métabolisme des molécules azotées entraîne également la production de déchets qui doivent être transformés puis éliminés par l’organisme.
Diazote (N₂)
Le diazote est constitué de deux atomes d’azote : N₂.
Il représente environ 78 % de l’air atmosphérique.
Malgré son abondance dans l’air, le diazote atmosphérique ne peut pas être directement utilisé par l’organisme humain pour fabriquer ses molécules azotées. L’azote nécessaire à l’être humain provient principalement de l’alimentation, notamment des protéines.
L’ammoniac est notamment produit lors du catabolisme des acides aminés. Il est toxique pour l’organisme, particulièrement pour le système nerveux.
Le monoxyde d’azote est notamment produit par les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins. Il entraîne une relaxation du muscle lisse vasculaire.
Il participe ainsi à la régulation du tonus vasculaire et de la pression artérielle.
Les nitrates (NO₃⁻) sont naturellement présents dans certains aliments et dans l’eau. Une partie peut être transformée en nitrites (NO₂⁻) dans l’organisme.
VI. Phosphore (P)
Le phosphore est un élément minéral indispensable au fonctionnement de l’organisme.
Il est majoritairement présent sous forme de phosphates (PO₄³⁻).
Une grande partie du phosphore de l’organisme est associée au calcium dans les os et les dents.
Rôles des phosphates
Les phosphates participent :
- à la minéralisation des os et des dents ;
- à la constitution de l’ATP, molécule essentielle aux transferts d’énergie dans les cellules ;
- à la constitution des acides nucléiques ADN et ARN ;
- à la formation des phospholipides, constituants majeurs des membranes cellulaires ;
- aux réactions de phosphorylation, importantes dans la régulation de nombreuses protéines et voies métaboliques ;
- au maintien de l’équilibre acido-basique grâce au système tampon phosphate.
Les phosphates constituent également des anions importants du milieu intracellulaire.
VII. Autres éléments essentiels
De nombreux éléments minéraux sont indispensables au fonctionnement de l’organisme. En solution, plusieurs sont présents sous forme d’ions, appelés électrolytes.
Ils participent notamment :
- à l’équilibre hydrique ;
- à l’équilibre acido-basique ;
- au maintien des gradients électriques membranaires ;
- à la transmission nerveuse ;
- à la contraction musculaire ;
- à l’activité enzymatique.
Sodium (Na⁺)
Le sodium est le principal cation du liquide extracellulaire.
Il est principalement apporté par l’alimentation.
Il participe :
- au maintien du volume extracellulaire ;
- à l’équilibre hydrique et à la pression osmotique ;
- à la création des gradients électrochimiques à travers les membranes cellulaires ;
- à la transmission de l’influx nerveux ;
- à la contraction musculaire ;
- au transport transmembranaire de certaines substances.
La répartition du sodium entre les milieux intra- et extracellulaires est notamment maintenue par la pompe Na⁺/K⁺-ATPase.
Potassium (K⁺)
Le potassium est le principal cation du liquide intracellulaire.
Il joue un rôle essentiel dans :
- le maintien du potentiel de membrane des cellules ;
- la transmission de l’influx nerveux ;
- la contraction musculaire ;
- l’activité électrique du muscle cardiaque.
Les variations importantes de la concentration sanguine en potassium peuvent provoquer des troubles neuromusculaires et cardiaques.
Chlorure (Cl⁻)
L’ion chlorure est le principal anion du liquide extracellulaire.
Il participe :
- au maintien de l’électroneutralité ;
- à l’équilibre hydrique et osmotique ;
- à l’équilibre acido-basique.
Le chlorure intervient également dans la formation de l’acide chlorhydrique (HCl) sécrété par l’estomac.
Calcium (Ca²⁺)
La très grande majorité du calcium de l’organisme est stockée dans les os et les dents.
Le calcium participe :
- à la minéralisation du squelette et des dents ;
- à la contraction musculaire ;
- à la transmission du signal nerveux ;
- à la coagulation sanguine ;
- à de nombreuses réactions enzymatiques ;
- à la signalisation cellulaire en tant que messager intracellulaire.
La concentration sanguine en calcium est étroitement régulée, notamment par la parathormone (PTH) et la vitamine D.
Magnésium (Mg²⁺)
Une part importante du magnésium de l’organisme est stockée dans les os, le reste étant principalement intracellulaire.
Le magnésium intervient :
- comme cofacteur de nombreuses enzymes ;
- dans les réactions utilisant l’ATP ;
- dans le fonctionnement neuromusculaire ;
- dans la contraction et la relaxation musculaires ;
- dans le fonctionnement cardiaque.
Soufre (S)
Le soufre est présent dans l’organisme sous différentes formes, notamment dans certains acides aminés soufrés, comme la cystéine et la méthionine.
Il entre ainsi dans la constitution de nombreuses protéines.
Les liaisons entre atomes de soufre, notamment les ponts disulfure, participent au maintien de la structure tridimensionnelle de certaines protéines.
Le soufre entre également dans la composition de certaines vitamines et coenzymes.
Il peut être retrouvé sous forme de sulfates (SO₄²⁻), notamment parmi les produits issus du métabolisme qui peuvent être éliminés dans les urines.
Oligoéléments
Les oligoéléments sont des éléments présents en très faible quantité dans l’organisme mais indispensables à son fonctionnement.
Parmi les principaux :
- fer (Fe) : constituant de l’hémoglobine et impliqué dans le transport de l’oxygène ;
- iode (I) : indispensable à la synthèse des hormones thyroïdiennes ;
- zinc (Zn) : intervient dans de nombreuses réactions enzymatiques, la synthèse protéique, l’immunité et la cicatrisation ;
- cuivre (Cu) : cofacteur enzymatique et impliqué notamment dans le métabolisme du fer ;
- sélénium (Se) : intervient dans différents systèmes enzymatiques antioxydants ;
- fluor (F) : participe à la minéralisation des tissus dentaires.
Même présents en très faible quantité, un déficit ou un excès de certains oligoéléments peut perturber le fonctionnement de l’organisme.
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