Biologie appliquée à la santé, 2e éd. (collection BTS ESF)

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Description

Ce manuel, conforme au nouveau référentiel 2009 du BTS Économie sociale familiale, vise à donner au lecteur les bases scientifiques nécessaires : pour comprendre les besoins de l'organisme aux différents âges de la vie, les conditions de son bon fonctionnement, les conséquences de certains comportements ou dysfonctionnements, et les mesures de prévention du risque infectieux , pour maîtriser et utiliser un vocabulaire spécifique adapté aux différents interlocuteurs du conseiller en ESF , pour acquérir un esprit critique vis-à-vis des informations véhiculées par les médias ou le public , pour informer le public en matière d'hygiène de vie, l'orienter vers des personnels spécialisés, enclencher des procédures d'alerte en cas de comportements à risques, mettre en œuvre les pratiques répondant aux exigences de sécurité biologique, et apporter les réponses adaptées aux différents publics.
Entièrement revue selon le nouveau programme, cette nouvelle édition permet l'acquisition de savoirs contribuant à développer chez les étudiants des compétences essentielles à leur future activité professionnelle.

Destiné aux étudiants des BTS Économie sociale familiale, Biologie appliquée à la santé, 2e édition, s'adresse également aux conseillers et techniciens ESF quel que soit leur domaine d'activité : habitat social, accueil collectif pour personnes âgées ou handicapées, établissements de santé, structures d'aide sociale des associations ou des collectivités territoriales.
Ce manuel sera utile aux étudiants et aux professionnels des autres filières de l'action sociale, dans la mesure où ces filières ont trait à la santé, à l'éducation sanitaire et à la protection médico-sociale de la population.
Avant-propos. Niveaux d'organisation du corps humain. Chapitre 1. Cellules

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Date de parution 08 septembre 2010
Nombre de visites sur la page 339
EAN13 9782743018108
Langue Français

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Collection « BTS ESF »
dirigée par Cristian Carip
Biologie appliquée
à la santé
e2 édition
Cristian Carip
docteur en médecine, diététicien
professeur en section BTS diététique à l'ICOGES (Paris)
11, rue Lavoisier
F-75008 Paris3051_.book Page II Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Dans la même collection
ePhysique-chimie, 2 édition
A.-C. Gelé-Seautereau, 2010
Habitat-Logement
B. Vinçot-Gac, 2010
Économie-consommation
M. Camus, 2010
Nutrition humaine et sécurité alimentaire
M. Murat, coord., 2009
Préparer l’épreuve de STHE
A.-C. Gelé-Seautereau, B. Vinçot-Gac, 2007
Arts appliqués
C. Daudier, 2007
Alimentation pratique
M. Murat, M. Tisset, M. Limouse, 2004
DANGER
LE
PHOTOCOPILLAGE
TUE LE LIVRE
© LAVOISIER, 2010
ISBN : 978-2-7430-1287-8
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage,
faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris),
est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du
copiste et non destinées à une utilisation collective, et, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique
erou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (loi du 1 juillet 1992 – art. L 122-4 et L 122-5 et Code pénal art. 425).3051_.book Page III Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Avant-propos
En économie sociale familiale, la biologie appliquée a pour objectif de donner
les bases scientifiques :
• pour comprendre :
– les conditions du bon fonctionnement des différents organes ;
– les besoins de l’organisme aux différents âges de la vie ;
– les conséquences de certains comportements ou dysfonctionnements ;
– les mesures de prévention relatives au risque infectieux ;
• pour maîtriser et utiliser un vocabulaire scientifique adapté aux différents
interlocuteurs ;
• pour acquérir un esprit critique vis-à-vis des informations médiatiques,
populaires…
• pour être en mesure :
– d’informer, de conseiller en matière d’hygiène de vie, d’orienter vers des
personnels spécialisés ou d’alerter en cas de comportements à risques ;
– de former des personnels à des pratiques répondant aux exigences de
sécurité biologique ;
– d’apporter des réponses adaptées aux différents publics.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3051_.book Page IV Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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IV Biologie appliquée à la
santé
CorresConnaissances
pondances
Les niveaux d’organisation du corps humain 3
Biomolécules 13
• Classification, exemples, principales propriétés physico- 13
chimiques
Cellules 45
• Structure et ultrastructure ; compartimentation cellulaire ; échan- 49
ges avec le milieu extra-cellulaire
Tissus 5
• Tissus conjonctif et épithélial : structure, fonctions, exemples 7
Organes et appareils 5
1.1.1 Éléments de biologie cellulaire et moléculaire 75
Le cycle cellulaire 77
• Interphase et mitose 77
• Apoptose : définition et importance physiologique
• Dérèglements de la régulation du cycle cellulaire : cancérisation
Énergétique cellulaire 95
• ATP : rôle et synthèse
• Devenir des nutriments énergétiques dans les cellules : dégrada- 95-103
tion et mise en réserve
1.1.2 Anatomie et physiologie humaines : étude de quelques gran- 109
des fonctions
Fonctions de relation 111
Système nerveux 113
• Anatomie et organisation fonctionnelle 113
– Système nerveux central et périphérique 113
– Système nerveux somatique et végétatif 113
• Neurone et tissu nerveux 114
– Structure et propriétés du neurone 114
– Récepteurs sensoriels
– Transmission synaptique 118
– Principaux neuromédiateurs 120
• Quelques aspects de la physiologie du système nerveux 130
– Système sensoriel et organe des sens 130
– Douleur 146
– Activité réflexe 153
– Sommeil 156
– Récompense et plaisir 158
– Environnement et prévention (bruits…) 167
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Avant-propos
V
CorresConnaissances
pondances
Appareil squelettique 169
• Système osseux : os, cartilages, tissu osseux 169
– Structure 170
– Ostéogénèse et ostéolyse : rôles dans la croissance et le rema- 172
niement osseux ; régulation (hormones)
• Squelette : structure et fonctions 178
Appareil musculaire squelettique strié 186
• Anatomie et organisation du système musculaire 186
– Différents types de muscles (sur les plans anatomiques 192
et fonctionnels – agonistes et antagonistes)
– Relation avec le squelette et rôle dans les mouvements 192
volontaires
• La fibre musculaire striée 186
– Structure, ultrastructure et propriétés
• La contraction musculaire 187
– À l’échelle de la fibre et à l’échelle d’un muscle 187
– Aspects mécaniques, moléculaires et énergétiques 189
– Déclenchement de la contraction musculaire
• Pathologies de l’appareil locomoteur 193
– Pathologies liées à la vie quotidienne et professionnelle
(troubles musculo-squelettiques) 195
– Mesures de prévention 197
Fonctions de nutrition 199
Système cardio-vasculaire : le cœur et la circulation sanguine 271
• Anatomie et histologie de l’appareil cardio-vasculaire 271
– Cœur ; vaisseaux sanguins : différents types, structures 271
et fonctions
• La révolution cardiaque 275
– Différentes phases (rôles du myocarde et des valvules) 275
– Fréquence et débit cardiaques 275
• La circulation sanguine et la pression artérielle 285
– Schéma général de la circulation 285
– La pression artérielle : définition, origine, fonction, mesure, 286
variations physiologiques, régulation
– Prévention des maladies cardio-vasculaires 289
Système lymphatique ; compartiments liquidiens de l’organisme ; 283
milieu intérieur
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VI Biologie appliquée à la
santé
CorresConnaissances
pondances
Système respiratoire et respiration 253
• Anatomie de l’appareil respiratoire 254
– Voies conductrices et zones d’échange 254
• Ventilation pulmonaire 256
– Mécanique ventilatoire, volumes respiratoires 256-259
• Les gaz respiratoires 261
– Échanges gazeux pulmonaires et tissulaires ; transports des gaz 261
dans le sang
• Pathologies respiratoires : exemples 265
– Pathologies de type allergique et infectieux ; influence des con- 265
ditions de vie (habitat, environnement professionnel…) et règles
de prévention
1.1.3 Alimentation et nutrition 201
Les aliments 239
Définition, nature, propriétés des aliments 239
Principaux groupes d’aliments 243
Sécurité sanitaire des aliments ; le risque alimentaire 247
Réglementation en matière de sécurité sanitaire et d’information 249
nutritionnelle
Besoins et apports nutritionnels 244
Besoins nutritionnels 244
• Différentes catégories de besoins, aspects quantitatifs et
qualitatifs, variations en fonction de l’état physiologique
Apports nutritionnels ; rations alimentaires ; menus 244
Appareil digestif, digestion et absorption 201
Organisation et anatomie de l’appareil digestif 201
Digestion et absorption 208-213
• Conséquences d’une alimentation déséquilibrée
Comportements alimentaires 224
Déterminants du comportement alimentaire 224
Dérèglements et pathologies 227
• Obésité, surpoids, insuffisance des apports, TGCA (en lien avec 331
l’addictologie)…
Alimentation familiale, restauration collective
Maîtrise du coût de l’alimentation et recherche d’une alimentation
familiale équilibrée
Achats alimentaires en collectivité
• Quantités à commander, cahier des charges, gestion des stocks…
Modes de distribution des repas
• Liaisons chaude et froide 543
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Avant-propos
VII
CorresConnaissances
pondances
1.1.4 Unité de l’organisme et maintien de son intégrité 295
Maintien de l’homéostasie 297
Système endocrinien 297
• Principales glandes et hormones 297
– Thyroïde et parathyroïdes ; surrénales ; tube digestif… 299
• Système neuroendocrinien
– Complexe hypothalamo-hypophysaire 299
– Boucle de régulation
Le métabolisme énergétique et sa régulation 301
• Inter-relations glucides/lipides/protides 301
• Régulation de la glycémie (hormones, mises en jeu en fonction 303
des états physiologiques)
Défense de l’organisme : le système immunitaire 311
Système immunitaire ; organes primaires et secondaires
Immunité naturelle, non spécifique 312
• Barrière cutanéo-muqueuse 313
• Réaction inflammatoire 314
Immunité spécifique, acquise : 317
• à médiation humorale (anticorps : structure, synthèse, rôles) 318
• à médiation cellulaire (application : immunité anti-infectieuse) 320
• vaccination (principes, importance et intérêt, calendrier vaccinal) 321
Dysfonctionnements du système immunitaire 324
• Réactions d’hypersensibilité immédiate ; allergies de contact ; 324
facteurs favorisant
• Immunodépression 326
1.1.5 Éléments de pharmacologie et toxicologie 337
Éléments de toxicologie 339
Substance toxique 339
• Définition et exemples 339
• Mécanismes d’action (exemples) ; courbe dose-effet 340
Différentes formes de toxicité 341
• À partir d’exemples : toxicité aiguë, subaiguë et chronique 342
• Effets cancérogène, mutagène, tératogène 344
Notions sur la réglementation en matière de substances utilisées dans 345
l’alimentation (additifs alimentaires), dans la vie quotidienne
(produits d’entretien…)
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VIII Biologie appliquée à la
santé
CorresConnaissances
pondances
Éléments de pharmacologie 347
Le médicament 347
• Définitions, principales formes galéniques 347-350
• Spécificité du produit médicament 347
Administration d’un médicament 349
• Voies d’administration et posologie 349-350
Informations réglementaires sur les spécialités pharmaceutiques : 351
emballage, notice informative
• Études menées (travaux dirigés) à partir d’exemples d’emballage 351
et de notices, en lien avec les acquis du cours de physiologie
1.1.6 Éléments d’addictologie 353
Les addictions 353
• Addictions aux substances psycho-actives 355
• Addictions comportementales 356
– Définition
– Inventaire
– Comportements de consommation (usage, mésusage…)
– Exemples en lien avec le module 2
Prévention des addictions 357
• Dispositif
1.1.7 Les différentes étapes de la vie 359
Reproduction et grossesse : maîtrise et prévention des risques 361
Les infections sexuellement transmissibles 363
• Anatomie des appareils génitaux 363
• Voies de contamination 372
• Principales IST, conséquences pathologiques 372
• Règles de prévention
Les principales infections à transmission materno-foetale : rubéole, 383
toxoplasmose, infection par le VIH, hépatites
• Principales étapes du développement embryonnaire et fœtal 383
• Rôles du placenta 398
• Transmission au fœtus 398
• Conséquences pathologiques (embryopathies et fœtopathies) 403
• Prévention
Surveillance médicale de la grossesse ; hygiène de vie pendant la 409
grossesse et en cas d’allaitement
• Modifications physiologiques de la grossesse 410
Maîtrise de la reproduction 421
• Méthodes contraceptives 428
• AMP (aide médicale à la procréation) 421
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Avant-propos
IX
CorresConnaissances
pondances
Croissance et développement ; vieillissement 441
Croissance et développement 443
• Croissance somatique 443
• Développement psychomoteur 454
– Développement staturo-pondéral 451
– Facteurs de la croissance : hormonaux, nutritionnels… 449
– Indicateurs de suivi (carnet de santé) 457
– Définition 454
– Principales phases 454
– Facteurs influençant le développement 449
La puberté et l’adolescence 459
• Modifications physiologiques et morphologiques 460
• Aspects psychologiques en lien avec le module 2 461
Le processus de vieillissement 463
• Étapes et caractères du vieillissement 463
• Notion de vieillissement différentiel
• Facteurs du vieillissement : biologiques, génétiques, psycho- 463
logiques…
• Conséquences : sensibilité au stress, perte d’autonomie, 469
dépendance…
La fin de vie et la mort 475
1.1.8 Microbiologie appliquée à l’alimentation et à l’hygiène 479
Micro-organismes et environnement
Flores microbiennes et relation entre micro-organismes et êtres 481
vivants
• Saprophytisme, commensalisme, parasitisme 501
• Flores des milieux ambiants 503
• Flores commensales de l’homme 504
Micro-organismes et aliments
Mécanismes d’altération des aliments 542
• Croissance et nutrition : besoins nutritifs, courbe de croissance, 542
influence des facteurs physico-chimiques sur la croissance
• Altération de la qualité sanitaire (exemples) 543-545
• Altération de la qualité marchande (exemples)
Conservation et stabilisation des aliments 546
• Agents physiques
• Agents chimiques
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X Biologie appliquée à la
santé
CorresConnaissances
pondances
Micro-organismes, virus et infections
Virus 519
• Structure 520
• Multiplication virale 520
• Notion de parasite obligatoire
• Infection virale respiratoire
Micro-organismes et infections 511
• Pouvoir pathogène et ses facteurs (invasif, toxinogène) 511
• Rôles du terrain et de l’environnement
• Transmission des maladies infectieuses 511
Micro-organismes, virus et infections
Prévention des contaminations 523
• Hygiène des logements et locaux professionnels, du matériel, des 524
résidents et du personnel
Élimination des micro-organismes 533
• Agents physiques (filtration, chaleur) 533
• Agents chimiques (détergents, antiseptiques, désinfectants, anti- 536
biotiques)
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Table des matières
Avant-propos.......................................................................................................... III
Partie 1
Niveaux d’organisation du corps humain
Section 1
Chapitre 1
Cellules, tissus, organes, appareils ––––––––––––––––––––––––– 5
Section 2
Biomolécules : structures et propriétés
Chapitre 2
Biomolécules : structure et propriétés –––––––––––––––––––––– 13
1. Rappels de chimie .............................................................................................. 13
1.1. Constitution physique des atomes............................................................. 13
1.2. Liaisons ..................................................................................................... 14
1.2.1. Liaison covalente........................................................................... 14
1.2.2. Liaison ionique.............................................................................. 14
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XII Biologie appliquée à la santé
2. Eau...................................................................................................................... 15
2.1. Propriétés de la molécule d’eau ................................................................ 15
2.2. Fonctions de l’eau ..................................................................................... 16
2.3. Compartiments liquidiens ......................................................................... 17
3. Constituants minéraux – Ions............................................................................. 18
4. Constituants organiques 21
4.1. Rappel ....................................................................................................... 21
4.2. Glucides..................................................................................................... 24
4.2.1. Monosaccharides........................................................................... 24
4.2.2. Osides ou polysaccharides ............................................................ 27
4.3. Lipides 30
4.3.1. Lipides simples.............................................................................. 31
4.3.2. Lipides complexes......................................................................... 34
4.4. Protides...................................................................................................... 35
4.4.1. Acides aminés ............................................................................... 35
4.4.2. Protéines........................................................................................ 39
4.5. Nucléotides et acides nucléiques............................................................... 42
Section 3
Cellules
Chapitre 3
Structure et ultrastructure de la cellule ––––––––––––––––––––– 49
1. Membrane cellulaire........................................................................................... 49
2. Cytoplasme......................................................................................................... 51
3. Organites cytoplasmiques .................................................................................. 52
3.1. Mitochondries 52
3.2. Appareil de synthèse – Réticulum endoplasmique
et appareil de Golgi 52
3.3. Ribosomes................................................................................................. 54
3.4. Lysosomes 54
4. Noyau ................................................................................................................. 55
Chapitre 4
Principales fonctions de la cellule –––––––––––––––––––––––––– 57
1. Échanges avec le milieu extracellulaire ............................................................. 57
1.1. Transport transmembranaire ..................................................................... 57
1.1.1. Transport passif............................................................................. 57
1.1.2. Transport actif ............................................................................... 58
1.2. Endocytose – Exocytose .......................................................................... 60
1.2.1. Endocytose .................................................................................... 60
1.2.2. Exocytose ...................................................................................... 60
2. Production et mise en réserve de l’énergie......................................................... 62
2.1. Structure et fonction de l’ATP .................................................................. 63
2.2. Enzymes et catalyse enzymatique............................................................. 64
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Table des matières XIII
2.2.1. Structure ........................................................................................ 64
2.2.2. Fonctions des enzymes.................................................................. 65
2.2.3. Spécificités .................................................................................... 66
2.2.4. Régulation ..................................................................................... 66
2.2.5. Conditions d’action ....................................................................... 67
2.2.6. Localisation des enzymes.............................................................. 68
2.3. Coenzymes et vitamines............................................................................ 68
2.3.1. Coenzymes 68
2.3.2. Vitamines ...................................................................................... 70
Partie 2
Biologie cellulaire et moléculaire
Chapitre 5
Cycle cellulaire ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 77
1. Interphase ........................................................................................................... 77
1.1. Synthèse de protéines ............................................................................... 78
1.1.1. Structure de l’ADN ....................................................................... 78
1.1.2. Mode de fonctionnement de l’ADN.............................................. 80
1.1.3. Contrôle de l’expression génétique............................................... 83
1.2. Anomalies génétiques 83
2. Division cellulaire .............................................................................................. 84
2.1. Mitose........................................................................................................ 85
2.1.1. Localisation et déroulement .......................................................... 85
2.1.2. Anomalies de la mitose ................................................................. 88
2.2. Méiose....................................................................................................... 89
2.2.1. 89
2.2.2. Anomalies de la méiose 93
Chapitre 6
Énergétique cellulaire–––––––––––––––––––––––––––––––––––– 95
1. Grandes étapes du catabolisme .......................................................................... 95
1.1. Cycle de Krebs .......................................................................................... 96
1.2. Modalités d’accès au cycle de Krebs ........................................................ 97
1.2.1. Glycolyse....................................................................................... 97
1.2.2. β-oxydation des acides gras .......................................................... 99
1.2.3. Accès des acides aminés au cycle de Krebs.................................. 100
1.3. Devenir des protons – Chaîne respiratoire ................................................ 101
2. Mise en réserve de l’énergie............................................................................... 103
2.1. Réserves de glucides ................................................................................. 103
2.2. Réserves lipidiques.................................................................................... 106
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XIV Biologie appliquée à la santé
Partie 3
Anatomie et physiologie humaines
Section 1
Fonctions de relation
Chapitre 7
Système nerveux –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 113
1. Anatomie et organisation fonctionnelle du système nerveux............................. 113
1.1. Neurone et tissu nerveux........................................................................... 114
1.1.1. Structure et histologie.................................................................... 114
1.1.2. Physiologie du neurone ................................................................. 116
1.2. Structure et organisation du système nerveux........................................... 122
1.2.1. Structure fonctionnelle du système nerveux ................................. 122
1.2.2. Organisation du système nerveux ................................................. 124
1.2.3. Moyens de protection des centres nerveux ................................... 129
2. Physiologie du système nerveux ........................................................................ 130
2.1. Système sensoriel et organes des sens ...................................................... 130
2.1.1. Appareil sensoriel.......................................................................... 130
2.1.2. Vision ............................................................................................ 135
2.2. La douleur ................................................................................................. 146
2.2.1. Définition ...................................................................................... 146
2.2.2. Types de douleur ........................................................................... 147
2.2.3. Physiologie de la douleur .............................................................. 147
2.3. Activité réflexe.......................................................................................... 153
2.3.1. Arc réflexe..................................................................................... 153
2.3.2. Réflexes conditionnés ................................................................... 154
2.3.3. Réflexes innés ............................................................................... 155
2.3.4. Réflexes végétatifs ........................................................................ 155
2.4. Sommeil .................................................................................................... 156
2.5. Système de récompense et de plaisir......................................................... 158
2.5.1. Structures neurologiques............................................................... 158
2.5.2. Fonctionnement du système de récompense,
neuropsychologie du renforcement ............................................... 158
2.6. Pathologies et dérèglements du système nerveux ..................................... 160
2.6.1. Dysfonctionnements du système nerveux 160
2.6.2. Dysfonctionnements du système nerveux périphérique
(neuropathies périphériques)......................................................... 160
2.6.3. Dysfonctionnements du système nerveux central ......................... 163
2.6.4. Effets des facteurs environnementaux sur la perception sensorielle :
le bruit ........................................................................................... 167
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3051_.book Page XV Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Table des matières XV
Chapitre 8
Structure et fonctions de l’appareil musculo-squelettique –––––– 169
1. Appareil squelettique.......................................................................................... 169
1.1. Os et tissu osseux ...................................................................................... 169
1.1.1. Structure de l’os et du tissu osseux ............................................... 170
1.1.2. Développement et croissance de l’os ............................................ 176
1.1.3. Anomalies de la synthèse osseuse................................................. 177
1.2. Squelette.................................................................................................... 178
1.2.1. Principales pièces du squelette...................................................... 179
1.2.2. Articulations.................................................................................. 184
2. Tissu musculaire et appareil musculaire ............................................................ 186
2.1. Structure et ultrastructure.......................................................................... 186
2.2. Contraction musculaire ............................................................................. 187
2.2.1. Étude physiologique...................................................................... 187
2.2.2. Étude mécanique ........................................................................... 189
2.2.3. Étude énergétique 189
2.2.4. Étude métabolique......................................................................... 191
2.2.5. Principaux types de mouvements.................................................. 192
2.2.6. Principaux groupes musculaires.................................................... 192
2.2.7. Muscles agonistes et antagonistes................................................. 193
3. Hygiène de l’appareil musculo-squelettique...................................................... 193
Section 2
Fonctions de nutrition
Chapitre 9
Alimentation et nutrition ––––––––––––––––––––––––––––––––– 201
1. Appareil digestif et digestion ............................................................................. 201
1.1. Organisation de l’appareil digestif............................................................ 201
1.1.1. Anatomie générale......................................................................... 201
1.1.2. Structure histologique de l’appareil digestif ................................. 203
1.1.3. Glandes annexes............................................................................ 207
1.2. Digestion ................................................................................................... 208
1.2.1. Étude mécanique ........................................................................... 208
1.2.2. Étude chimique.............................................................................. 211
1.3. Absorption des nutriments, de l’eau et des électrolytes............................ 213
1.3.1. Absorption des nutriments ............................................................ 214
1.3.2. Absorption de l’eau ....................................................................... 215
1.3.3. Absorption des électrolytes ........................................................... 215
1.4. Devenir des nutriments absorbés .............................................................. 217
1.4.1. Glucides......................................................................................... 217
1.4.2. Lipides........................................................................................... 218
1.4.3. Protides.......................................................................................... 222
1.4.4. Transport ....................................................................................... 222
1.5. Conditions d’un bon fonctionnement de l’appareil digestif...................... 223
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XVI Biologie appliquée à la santé
2. Comportement alimentaire et ses déterminants ................................................. 224
2.1. Définitions................................................................................................. 224
2.2. Régulation périphérique............................................................................ 225
2.2.1. Régulation à court terme ............................................................... 225
2.2.2. Régulation à long terme ................................................................ 226
2.2.3. Facteurs modulateurs..................................................................... 226
2.3. Troubles du comportement alimentaire .................................................... 227
2.3.1. Définition ...................................................................................... 227
2.3.2. Troubles du comportement alimentaire quantitatifs...................... 228
2.3.3. Troubles du comportement alimentaire qualitatifs........................ 235
2.3.4. Troubles du comportement alimentaire associés
à d’autres troubles psychocomportementaux ................................ 238
3. Les aliments ....................................................................................................... 239
3.1. Définition .................................................................................................. 239
3.2. Nature des aliments................................................................................... 239
3.3. Propriétés des aliments.............................................................................. 240
3.3.1. Propriétés physico-chimiques ....................................................... 240
3.3.2. Propriétés fonctionnelles............................................................... 241
3.3.3. Propriétés sensorielles................................................................... 242
3.4. Principaux groupes d’aliments.................................................................. 243
3.5. Valeur nutritionnelle des aliments ............................................................ 243
3.6. Les besoins nutritionnels et la ration......................................................... 244
3.7. Besoins énergétiques................................................................................. 244
3.7.1. Besoins en protéines...................................................................... 245
3.7.2. Besoins en lipides.......................................................................... 246
3.7.3. Besoins en glucides ....................................................................... 246
3.7.4. Besoins en eau............................................................................... 247
3.8. Sécurité sanitaire des aliments et risque alimentaire................................. 247
3.8.1. Analyse du risque – Méthode des 5M........................................... 248
3.8.2. Mesures pour combattre le risque alimentaire –
Méthode HACCP 249
3.8.3. Hiérarchie décisionnaire et normative. Le Paquet Hygiène.......... 250
Chapitre 10
Appareil respiratoire et respiration –––––––––––––––––––––––– 253
1. Anatomie de l’appareil respiratoire ................................................................... 254
1.1. Voies aérodigestives supérieures .............................................................. 254
1.2. Larynx ....................................................................................................... 254
1.3. Arbre respiratoire ...................................................................................... 255
1.4. Poumons.................................................................................................... 256
2. Ventilation pulmonaire....................................................................................... 256
2.1. Mécanisme ventilatoire ............................................................................. 256
2.1.1. Principe.......................................................................................... 256
2.1.2. Mécanismes................................................................................... 258
2.1.3. Cycle respiratoire .......................................................................... 258
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Table des matières XVII
2.2. Volumes et capacités respiratoires ........................................................... 259
3. Diffusion et échanges gazeux............................................................................. 261
4. Transport des gaz respiratoires........................................................................... 261
4.1. Transport de l’oxygène 262
4.2. Transport du dioxyde de carbone.............................................................. 263
4.3. Régulation et contrôle de la respiration .................................................... 265
5. Principales pathologies respiratoires.................................................................. 265
5.1. La perméabilité des voies aériennes.......................................................... 265
5.1.1. Obstruction des voies aériennes supérieures................................. 266
5.1.2. Obstruction des voies aériennes intrapulmonaires........................ 266
5.2. Efficacité des mouvements respiratoires................................................... 268
5.3. Étendue et qualité de la surface d’hématose ............................................. 268
5.3.1. L’absence du surfactant alvéolaire................................................ 268
5.3.2. Les fibroses pulmonaires............................................................... 269
5.3.3. La broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO)
et l’emphysème pulmonaire .......................................................... 269
5.4. Quantité et qualité des transporteurs d’oxygène ....................................... 270
Chapitre 11
Appareil circulatoire et circulation––––––––––––––––––––––––– 271
1. Système circulatoire ........................................................................................... 271
1.1. Cœur.......................................................................................................... 271
1.1.1. Anatomie ....................................................................................... 271
1.1.2. Structure tissulaire du cœur........................................................... 272
1.1.3. Révolution cardiaque (cycle cardiaque)........................................ 275
1.2. Vaisseaux sanguins ................................................................................... 276
1.2.1. Artères 277
1.2.2. Capillaires...................................................................................... 279
1.2.3. Veines............................................................................................ 284
1.3. Circulation sanguine.................................................................................. 285
1.3.1. Circulation systémique.................................................................. 285
1.3.2. Circulation pulmonaire 286
1.4. Pression artérielle – Mesure et contrôle .................................................... 286
1.4.1. Facteurs de variation ..................................................................... 286
1.4.2. Régulation ..................................................................................... 287
1.4.3. Mesure de la pression artérielle..................................................... 288
2. Pathologies cardio-vasculaires et leur prévention.............................................. 289
2.1. Hypertension artérielle.............................................................................. 292
2.2. Cardiopathie ischémique........................................................................... 293
2.3. Notion de risque cardio-vasculaire............................................................ 294
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XVIII Biologie appliquée à la santé
Section 3
Unité de l’organisme et maintien de son intégrité
Chapitre 12
Maintien de l’homéostasie –––––––––––––––––––––––––––––––– 297
1. Le système endocrinien...................................................................................... 297
1.1. Axe hypothalamo-hypophysaire ............................................................... 299
1.2. Thyroïde .................................................................................................... 299
1.3. Parathyroïdes............................................................................................. 300
1.4. Glandes surrénales .................................................................................... 300
1.5. Gonades..................................................................................................... 300
1.6. Système endocrinien diffus....................................................................... 301
2. Le métabolisme énergétique............................................................................... 301
2.1. Régulation de la glycémie......................................................................... 303
2.1.1. Régulation hormonale – Balance insuline-glucagon..................... 304
2.1.2. Rôle de tampon glycémique du foie.............................................. 306
2.1.3. Autres hormones hyperglycémiantes ............................................ 307
2.1.4. Diabète .......................................................................................... 307
Chapitre 13
Défense de l’organisme––––––––––––––––––––––––––––––––––– 311
1. Immunité naturelle ............................................................................................. 312
1.1. « Soi » et « non-soi »................................................................................. 312
1.2. Barrière cutanéo-muqueuse....................................................................... 313
1.2.1. Peau ............................................................................................... 313
1.2.2. Muqueuses..................................................................................... 313
1.3. Réaction inflammatoire............................................................................. 314
1.3.1. Phases de l’inflammation .............................................................. 314
1.3.2. Cellules de l’inflammation............................................................ 315
1.3.3. Molécules de l’inflammation ........................................................ 315
1.3.4. Signes cliniques de l’inflammation............................................... 316
1.3.5. Formation du pus........................................................................... 316
1.3.6. Cicatrisation .................................................................................. 316
2. Réaction immunitaire ......................................................................................... 316
2.1. Immunité non spécifique 316
2.2. Immunité spécifique 317
2.2.1. Immunité humorale ....................................................................... 318
2.2.2. Immunité cellulaire 320
3. Vaccination et sérothérapie ................................................................................ 321
3.1. Vaccination ............................................................................................... 321
3.2. Sérothérapie 324
4. Dysfonctionnements du système immunitaire ................................................... 324
4.1. Allergies .................................................................................................... 324
4.2. Immunodépression .................................................................................... 326
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Table des matières XIX
Chapitre 14
Nutrition et santé publique ––––––––––––––––––––––––––––––– 327
1. Politiques de santé publique............................................................................... 327
1.1. Déterminants de santé 327
1.2. Promotion de la santé................................................................................ 328
1.3. Veille sanitaire .......................................................................................... 329
1.4. Prévention de la santé 330
2. Les déséquilibres alimentaires ........................................................................... 331
2.1. Épidémiologie ........................................................................................... 332
2.2. Éducation nutritionnelle............................................................................ 334
Partie 4
Pharmacologie et toxicologie
Chapitre 15
Éléments de toxicologie –––––––––––––––––––––––––––––––––– 339
1. Facteurs déterminant la toxicité ......................................................................... 339
2. Rapport dose-effet.............................................................................................. 340
3. Paramètres de toxicité ........................................................................................ 341
4. Exemples appliqués............................................................................................ 343
4.1. La toxicologie alimentaire 343
4.2. Les substances cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques (CMR)........... 344
5. Étiquetage........................................................................................................... 344
6. Centres antipoison 344
7. Additifs alimentaires .......................................................................................... 345
Chapitre 16
Éléments de pharmacologie ––––––––––––––––––––––––––––––– 347
1. Spécificité du produit médicament..................................................................... 347
2. Procédure de validation d’un médicament......................................................... 348
3. Voies d’administration ....................................................................................... 349
4. Principales formes de présentation 350
5. Posologie ............................................................................................................ 350
6. Étiquetage des médicaments et notice d’emploi ................................................ 351
Chapitre 17
Éléments d’addictologie –––––––––––––––––––––––––––––––––– 353
1. Définition ........................................................................................................... 353
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XX Biologie appliquée à la santé
2. La dépendance.................................................................................................... 354
2.1. Mécanismes de la dépendance .................................................................. 354
2.2 Types de dépendance ................................................................................ 354
2.3. Critères de dépendance ............................................................................. 354
2.4. Principales addictions 355
2.4.1. Addiction aux substances chimiques et drogues........................... 355
2.4.2. Autres addictions........................................................................... 356
Partie 5
Les différentes étapes de la vie
Section 1
Reproduction et grossesse
Chapitre 18
Appareil génital et infections sexuellement transmissibles–––––– 363
1. Anatomie des appareils génitaux........................................................................ 363
1.1. Appareil génital masculin ......................................................................... 363
1.1.1. Gonades......................................................................................... 364
1.1.2. Voies spermatiques et glandes annexes ........................................ 366
1.1.3. Pénis .............................................................................................. 366
1.2. Appareil génital féminin ........................................................................... 368
1.2.1. Gonades 368
1.2.2. Tractus génital féminin.................................................................. 369
1.2.3. Organes génitaux externes ............................................................ 370
1.2.4. Glande mammaire ......................................................................... 371
2. Maladies sexuellement transmissibles ............................................................... 372
2.1. Herpès génital............................................................................................ 373
2.2. Gonococcie (blennorragie)........................................................................ 373
2.3. Syphilis...................................................................................................... 374
2.4. Hépatite B.................................................................................................. 374
2.5. Chlamydiose.............................................................................................. 375
2.6. Trichomoniase........................................................................................... 375
2.7. Condylomes génitaux................................................................................ 375
2.8. SIDA ........................................................................................................ 376
2.8.1. Épidémiologie ................................................................................. 376
2.8.2. Virus de l’immunodéficience humaine ........................................... 377
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Table des matières XXI
Chapitre 19
Principales étapes du développement embryonnaire et fœtal,
et principales infections à transmission materno-fœtale–––––––– 383
1. Fécondation ........................................................................................................ 383
1.1. Gamètes matures ....................................................................................... 383
1.1.1. Ovule ............................................................................................. 383
1.1.2. Spermatozoïde............................................................................... 384
1.2. Localisation............................................................................................... 386
1.3. Union des deux gamètes............................................................................ 386
1.4. Amphimixie et déterminisme génétique ................................................... 387
2. Développement de l’œuf .................................................................................... 387
2.1. Migration et nidation................................................................................. 387
2.1.1. Migration de l’œuf ........................................................................ 387
2.1.2. Segmentation de l’œuf .................................................................. 388
2.2. Nidation et évolution du bouton embryonnaire ........................................ 388
2.2.1. Nidation......................................................................................... 388
2.2.2. Évolution du bouton embryonnaire............................................... 392
2.3. Gastrulation............................................................................................... 393
2.4. Quatrième semaine 395
2.4.1. Évolution de l’embryon................................................................. 395
2.4.2. Évolution des annexes................................................................... 398
2.5. Organogenèse............................................................................................ 400
2.5.1. Appareil cardiovasculaire.............................................................. 400
2.5.2. Appareil digestif............................................................................ 401
2.5.3. Appareil respiratoire...................................................................... 402
2.5.4. Appareil urogénital........................................................................ 402
2.5.5. Système nerveux ........................................................................... 403
2.5.6. Développement de la face ............................................................. 403
2.5.7. Développement des membres........................................................ 403
2.6. Embryopathies et fœtopathies................................................................... 403
2.6.1. Maladies génétiques 404
2.6.2. Facteurs tératogènes 405
2.6.3. Étude particulière de la rubéole et de la toxoplasmose ................. 405
Chapitre 20
Évolution et surveillance médicale de la grossesse –––––––––––– 409
1. Grossesse............................................................................................................ 409
1.1. Diagnostic................................................................................................. 409
1.2. Modifications de l’organisme maternel pendant la grossesse................... 410
1.3. Surveillance médicale ............................................................................... 411
1.4. Facteurs influençant le déroulement de la grossesse................................. 411
1.4.1. Maladies préexistantes de la mère................................................. 411
1.4.2. Maladies infectieuses .................................................................... 411
1.4.3. Accidents et complications de la grossesse................................... 412
1.5. Alimentation de la femme enceinte........................................................... 413
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XXII Biologie appliquée à la santé
2. Accouchement.................................................................................................... 414
2.1. Préparation de l’accouchement ................................................................. 414
2.2. Déclenchement de l’accouchement........................................................... 414
2.2.1. Facteurs hormonaux ...................................................................... 415
2.2.2. Facteurs mécaniques ..................................................................... 415
2.3. Déroulement de l’accouchement............................................................... 415
2.3.1. Accouchement normal................................................................... 415
2.3.2. Accouchements dirigés 416
3. Lactation et allaitement ...................................................................................... 418
3.1. Déclenchement et maintien de la sécrétion lactée..................................... 418
3.2. Besoins nutritionnels de la femme allaitante ............................................ 419
Chapitre 21
Maîtrise de la reproduction ––––––––––––––––––––––––––––––– 421
1. Procréation médicalement assistée..................................................................... 421
1.1. Stérilité ...................................................................................................... 421
1.1.1. Stérilité masculine......................................................................... 421
1.1.2. Stérilité féminine........................................................................... 422
1.1.3. Stérilité du couple.......................................................................... 423
1.2............................................................. 424
1.2.1. Adaptation de la solution à la cause de stérilité ............................ 424
1.2.2. Principes techniques de la procréation médicalement assistée ..... 425
1.3. Éthique et reproduction assistée................................................................ 426
2. Méthodes de contraception................................................................................. 428
2.1. Critères et objectifs des méthodes contraceptives..................................... 429
2.2. Principales méthodes contraceptives......................................................... 429
2.2.1. Abstinence périodique................................................................... 429
2.2.2. Coït interrompu ............................................................................. 430
2.2.3. Préservatif...................................................................................... 430
2.2.4. Spermicides ................................................................................... 431
2.2.5. Contraception hormonale .............................................................. 431
2.2.6. Contraception « du lendemain ».................................................... 433
2.2.7. Dispositifs intra-utérins (stérilets)................................................. 433
2.2.8. Nouvelles méthodes contraceptives .............................................. 434
3. Stérilisation ........................................................................................................ 434
3.1. Stérilisation féminine ................................................................................ 434
3.2. Stérilisation masculine .............................................................................. 434
4. Interruption volontaire de grossesse................................................................... 435
4.1. Réglementation ......................................................................................... 435
4.2. Méthodes d’interruption de la grossesse................................................... 436
4.2.1. Méthode médicamenteuse............................................................. 436
4.2.2. Méthode instrumentale.................................................................. 436
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Table des matières XXIII
Section 2
Croissance, développement et vieillissement
Chapitre 22
Nouveau-né –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 443
1. Caractéristiques morphologiques ....................................................................... 443
2. Caractéristiques physiologiques......................................................................... 444
2.1. Caractéristiques cardiopulmonaires .......................................................... 444
2.2. Autres caractéristiques physiologiques..................................................... 446
Chapitre 23
Enfant––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 449
1. Facteurs déterminant le développement............................................................. 449
1.1. Facteurs génétiques ................................................................................... 449
1.2. Facteurs environnementaux ...................................................................... 449
1.3. Facteurs nutritionnels................................................................................ 450
1.4. Facteurs psychoaffectifs............................................................................ 450
1.5. Facteurs endocriniens 450
2. Développement staturopondéral......................................................................... 451
2.1. Croissance postnatale 451
2.2. Croissance staturopondérale (annexes 1 et 2) ........................................... 452
2.3. Étude de la dentition.................................................................................. 452
2.3.1. Dents temporaires.......................................................................... 453
2.3.2. Dentition définitive ....................................................................... 453
2.4. Âge osseux ................................................................................................ 453
3. Développement psychomoteur........................................................................... 454
Chapitre 24
Adolescent ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 459
1. Puberté................................................................................................................ 459
2. Caractéristiques psychosociales ......................................................................... 461
Chapitre 25
Personne âgée –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 463
1. Vieillissement..................................................................................................... 463
1.1. Déterminisme du vieillissement................................................................ 463
1.1.1. Vieillissement cellulaire 463
1.1.2. Vieillissement tissulaire 464
1.1.3. Altérations fonctionnelles ............................................................. 465
1.1.4. Prévention...................................................................................... 467
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XXIV Biologie appliquée à la santé
2. Perte d’autonomie et dépendance....................................................................... 469
2.1. Facteurs favorisant la perte d’autonomie .................................................. 469
2.2. Indicateurs de perte d’autonomie.............................................................. 471
2.2.1. Échelle OMS ................................................................................. 471
2.2.2. Échelle de Katz.............................................................................. 472
2.2.3. Grille d’évaluation AGGIR (annexe)............................................ 472
Chapitre 26
La mort ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 475
1. Mort cellulaire.................................................................................................... 475
2. Manifestations 476
3. Aspects médico-légaux ...................................................................................... 477
Partie 6
Microbiologie appliquée à l’alimentation et à l’hygiène
Chapitre 27
Généralités sur les micro-organismes ––––––––––––––––––––––– 481
1. Définition et généralités ..................................................................................... 481
2. Classification...................................................................................................... 481
2.1. Agents transmissibles non conventionnels................................................ 481
2.2. Virus.......................................................................................................... 482
2.3. Bactéries.................................................................................................... 482
2.4. Autres micro-organismes à structure cellulaire......................................... 482
Chapitre 28
Bactéries––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 485
1. Cellule bactérienne............................................................................................. 485
1.1. Structure et ultrastructure.......................................................................... 485
1.1.1. Éléments constants ........................................................................ 486
1.1.2. Éléments facultatifs....................................................................... 489
1.2. Morphologie.............................................................................................. 490
2. Métabolisme bactérien ....................................................................................... 491
3. Croissance et multiplication bactériennes –
Environnement des micro-organismes............................................................... 493
3.1. Multiplication bactérienne 493
3.2. Facteurs physicochimiques influençant la croissance............................... 494
3.2.1. Température .................................................................................. 494
3.2.2. pH.................................................................................................. 495
3.2.3. Eau................................................................................................. 496
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Table des matières XXV
3.2.4. Oxygène ........................................................................................ 496
3.2.5. Pression ......................................................................................... 497
3.2.6. Radiations...................................................................................... 497
3.3. Milieux de culture ..................................................................................... 497
3.3.1. Principes de composition des milieux de culture.......................... 497
3.3.2. Typologie des milieux de culture.................................................. 498
3.3.3. Mise en culture.............................................................................. 499
3.3.4. Courbe de croissance..................................................................... 500
4. Relations entre la cellule bactérienne et d’autres organismes vivants
uniou pluricellulaires............................................................................................... 501
4.1. Aspects trophiques – Modes de nutrition 501
4.1.1. Saprophytisme – Indépendance trophique .................................... 501
4.1.2. Relations trophiques associatives entre plusieurs organismes ...... 501
4.2. Aspect temporel de la relation entre l’organisme bactérien
et le macro-organisme............................................................................... 503
4.2.1. Flore résidente 503
4.2.2. Flore transitoire ............................................................................. 504
4.3. Aspect spatial de la relation entre l’organisme bactérien
et le macro-organisme 504
4.3.1. Flore cutanée ................................................................................. 506
4.3.2. Flore respiratoire ........................................................................... 506
4.3.3. Flore génitale 507
4.3.4. Flore digestive............................................................................... 508
4.3.5. Porteurs sains 511
4.4. Infection bactérienne – Aspect pathogène de la relation
entre l’organisme bactérien et le macro-organisme .................................. 511
4.4.1. Pouvoir pathogène......................................................................... 512
4.4.2. Virulence ....................................................................................... 514
4.4.3. Capacité mutagène ........................................................................ 515
Chapitre 29
Champignons, parasites et virus ––––––––––––––––––––––––––– 517
1. Champignons...................................................................................................... 517
1.1. Levures 517
1.2. Moisissures................................................................................................ 518
2. Parasites.............................................................................................................. 518
3. Virus................................................................................................................... 519
3.1. Structure .................................................................................................... 520
3.2. Multiplication............................................................................................ 520
Chapitre 30
Lutte contre les micro-organismes et hygiène alimentaire –––––– 523
1. Lutte contre les micro-organismes ..................................................................... 523
1.1. Prévention de la contamination................................................................. 523
1.1.1. Prévention au niveau des personnes.............................................. 523
1.1.2. Prévention au niveau des locaux ................................................... 525
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XXVI Biologie appliquée à la santé
1.2. Élimination des micro-organismes............................................................ 533
1.2.1. Méthodes physiques ...................................................................... 533
1.2.2. Méthodes chimiques 536
2. Altérations alimentaires d’origine microbiologique .......................................... 542
3. Conservation et stabilisation des aliments ......................................................... 546
3.1. Mesures de lutte contre l’agent infectieux ................................................ 546
3.1.1. Méthodes d’action sur les milieux inertes..................................... 546
3.1.2. Méthodes d’action sur les tissus vivants ....................................... 547
3.2. Mesures s’adressant à l’organisme récepteur............................................ 553
Index........................................................................................................................ 555
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Partie 1
Niveaux d’organisation
du corps humain3051_.book Page 2 Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Section 1
Niveaux d’organisation
du corps humain
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1
Cellules, tissus, organes,
appareils
Le corps humain est un ensemble cohérent d’appareils (ou systèmes
d’organes). Chaque appareil a une fonction précise qui s’intègre dans le fonctionnement
global de l’organisme. Par exemple, l’appareil digestif a pour fonction d’apporter
les nutriments à l’organisme, de les réduire à des constituants moléculaires
simples et de structure relativement uniforme et de permettre ensuite le passage de
ces molécules (nutriments) à l’intérieur de l’organisme, dans le sang. Le but de
ces processus est de fournir aux cellules les matières premières nécessaires à leur
fonctionnement.
Chaque appareil est formé de plusieurs organes dont les fonctions sont
interdépendantes et cohérentes, ce qui lui permet d’assumer son rôle dans l’organisme.
Les fonctions des différents appareils sont coordonnées pour maintenir
l’intégrité de l’organisme et permettre le maintien de la vie. Par exemple, une fois
absorbés, les nutriments doivent être véhiculés, transportés ; c’est le rôle du sang,
mobilisé par l’appareil circulatoire. D’un autre coté, l’utilisation des nutriments
par les cellules nécessite l’utilisation d’oxygène ; celui-ci est apporté à
l’organisme par l’appareil respiratoire et également transporté par le sang.
Les systèmes sont donc des assemblages cohérents d’organes. À leur tour, les
organes ont une structure qui doit correspondre à leur fonction. Chaque organe
possédant une (ou plusieurs) fonction(s) bien définie(s), leur structure est
relativement monotone. La structure qui est à la base d’une fonction est le tissu. Un
même organe peut parfois remplir plusieurs fonctions ; il constitue alors un
assemblage de plusieurs types de tissus. Inversement, plusieurs organes peuvent
avoir en commun une même fonction ou un même type de fonction et auront donc
en commun un même type de tissu. Un exemple est celui du tissu musculaire : le
même type de tissu musculaire se trouve dans tous les organes pourvus de
motilité : la vésicule biliaire, l’estomac, les vaisseaux sanguins ou les uretères.
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6 Niveaux d’organisation du corps humain
Un organe comme l’estomac a plusieurs fonctions : le tissu musculaire lui
permet d’assurer la progression des aliments vers les segments sous-jacents du tube
digestif, tandis qu’un autre type de tissu assume la fonction de sécrétion
nécessaire à son rôle dans la digestion.
À l’opposé, un organe doté d’une fonction unique est composé d’un seul type
de tissu, comme une glande salivaire, ou le système nerveux qui, à quelque
niveau que ce soit, aura la même structure.
Un tissu est à son tour un ensemble cohérent qui correspond à une fonction.
Ses unités de base, qui sont en même temps les unités de base du monde vivant
sont les cellules. En plus des cellules, certains tissus sont aussi formés de produits
de synthèse cellulaire, la matrice (ou substance fondamentale) et les fibres.
Chaque type de tissu a dans sa structure uniquement le ou les types de cellules qui lui
correspondent. Ce sont ces cellules qui sont à l’origine de la structure et de la
fonction du tissu.
La cellule est l’unité morphologique et fonctionnelle des êtres vivants.
La structure des cellules est d’une remarquable uniformité. Toute cellule est
formée d’une membrane qui la délimite de tout ce qui ne lui appartient pas
(milieu extracellulaire), d’un cytoplasme (qui est son milieu interne) et d’un
noyau qui contient l’information nécessaire à son bon fonctionnement et à sa
reproduction.
Ce modèle se retrouve aussi bien dans le monde végétal qu’animal, les seules
variations possibles étant l’absence d’un noyau bien délimité, avec un « matériel
nucléaire » dispersé dans le cytoplasme.
Les cellules sans noyau délimité sont des cellules procaryotes, dont le
prototype est la cellule bactérienne. Ces cellules constituent à elles seules des
organismes, appelés organismes unicellulaires.
Les cellules avec un noyau délimité sont dites eucaryotes. Elles ont la capacité
de s’associer pour former des tissus et des organes.
Dans l’organisme animal (donc dans l’organisme humain), toute cellule a dans
son noyau l’information nécessaire pour assumer toutes les fonctions existantes
dans l’organisme auquel elle appartient. Ceci est normal du fait que l’organisme
entier provient d’une seule cellule initiale, l’œuf. Les divisions ultérieures ne
diminuent en rien le matériel nucléaire des cellules. Tout simplement, pour des
raisons de spécialisation, les cellules ne maintiennent en fonction que certaines
de leurs potentialités, et répriment les autres. Une cellule musculaire, par
exemple, n’exprime pas sa fonction de sécrétion de salive ni celle de synthèse de
pigments rétiniens (nécessaires à la vue).
Dans des conditions anormales, le plus souvent sous l’influence de facteurs
extérieurs, les cellules peuvent reprendre des caractéristiques qui ne devraient
pas (ou qui ne devraient plus) être les leurs. C’est la base du développement des
cancers.
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Cellules, tissus, organes, appareils 7
Des cellules d’un ou plusieurs types s’associent entre elles pour former un
tissu.
On peut diviser les tissus en deux grandes catégories :
• les tissus épithéliaux (figure 1) ont comme principale caractéristique le fait
d’être constitués d’une ou plusieurs rangées de cellules disposées sur une
membrane dite membrane basale. Cette membrane constitue la délimitation
du tissu ; elle est synthétisée par les cellules et contribue aux échanges entre
celles-ci et les tissus sous-jacents. Les tissus épithéliaux ont des fonctions de
revêtement et de sécrétion :
– les épithéliums de revêtement délimitent le milieu intérieur de l’organisme
du milieu extérieur. À la surface du corps, ils forment l’épiderme et à
l’intérieur les muqueuses (digestive par exemple). Ils recouvrent également
l’intérieur des parois des vaisseaux sanguins (endothéliums) et les grandes
cavités de l’organisme (plèvre, péritoine, péricarde) (mésothéliums) ;
– les épithéliums possédant des fonctions sécrétrices sont des épithéliums
glandulaires ;
1
2
3
a b c
1. Cellules épithéliales a. Tissu épithélial simple
2. Membrane basale b. Tissu épithélial stratifié
3. Vaisseaux sanguins c. Tissu épithélial pseudostratifié
Figure 1 Schéma d’un tissu épithélial.
• les tissus conjonctifs (figure 2) sont tous les autres tissus, formés de cellules,
de substance fondamentale et fibres. Les tissus osseux, cartilagineux,
adipeux sont des tissus conjonctifs ;
1
2
1. Cellules conjonctives
2. Fibres dans la matrice
Figure 2 Schéma d’un tissu conjonctif.
• certains tissus conjonctifs peuvent être considérés à part, comme étant des
tissus spécialisés ; leur structure, quoique plus proche des tissus conjonctifs que
des tissus épithéliaux, est très particulière, ce qui justifie de les étudier à part :
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8 Niveaux d’organisation du corps humain
– le tissu musculaire est responsable de la motilité ;
– le tissu nerveux est responsable de l’intégration et du contrôle des activités
des différents organes et appareils et de l’intégration de l’organisme dans le
milieu externe ;
– le sang a pour principale particularité d’être un tissu fluide dont la phase
liquide est le plasma, son rôle principal est de transport.
En règle générale, ce sont les fibres (leur structure chimique, leur qualité, leur
abondance) et la substance fondamentale qui donnent les caractéristiques d’un
tissu conjonctif. Mais il faut tenir compte du fait que leur production est assurée
par les cellules et qu’en dernière instance, ce sont donc celles-ci qui déterminent
l’ensemble des caractéristiques du tissu. Ainsi, le tissu osseux et le tissu
cartilagineux ont à la base une structure très proche. D’ailleurs, lors d’une fracture
osseuse, la cicatrisation de l’os se fait en commençant par la synthèse de tissu
cartilagineux. Une fois le modèle cartilagineux mis en place, la production des
cellules s’oriente vers un type spécial de matrice et de fibres, capables de fixer les
sels calcaires et de constituer l’os.
La similitude fondamentale des tissus devient évidente dans le processus de
cicatrisation : le tissu conjonctif jeune est peu différencié, tout comme ses cellules.
C’est ce type de tissu qui commence la reconstitution du tissu détruit. La
cicatrisation du tissu musculaire, osseux, cartilagineux ou autre possède la même phase
initiale. Pour les tissus épithéliaux également, si l’intégrité de la membrane basale
n’est pas respectée par la lésion, la reconstruction se fera avec ce même tissu
conjonctif peu différencié, qui restera comme une altération définitive, une cicatrice.
Un ensemble cohérent de tissus forme un organe. Même un organe en
apparence simple comme l’œsophage, qui sert de simple lieu de passage des aliments
entre la cavité buccale et l’estomac, est formé de plusieurs couches tissulaires
successives : un épithélium de revêtement (muqueuse) à l’intérieur, puis
plusieurs couches de tissu musculaire et à l’extérieur une membrane conjonctive
appelée séreuse.
Plusieurs organes dont les fonctions sont liées forment un appareil ou système
d’organes.
Les appareils de l’organisme sont :
• l’appareil musculo-squelettique, qui a pour fonction de maintenir la forme
de l’organisme, de protéger les autres appareils et organes et d’assurer la
mobilité de l’ensemble du corps. Il est formé du squelette, des muscles et
des ligaments ;
• l’appareil respiratoire, ayant comme fonction l’apport d’air de l’extérieur
aux poumons et l’échange de gaz (oxygène, dioxyde de carbone) entre cet
air et le sang. Il est composé des voies aériennes et des poumons ;
• l’appareil digestif, dont les fonctions ont été évoquées plus haut. Il est
formé du tube digestif (succession d’organes cavitaires : œsophage,
estomac, intestin grêle, gros intestin) et des glandes annexes de celui-ci (les
glandes salivaires, le foie avec la vésicule biliaire et le pancréas) ;
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Cellules, tissus, organes, appareils 9
• l’appareil circulatoire, qui assure le transport des substances depuis leur
porte d’entrée dans l’organisme jusqu’aux tissus et, dans le sens inverse, le
transport des produits résiduels du métabolisme cellulaire depuis les
cellules jusqu’à leurs sites d’élimination. Il est formé du cœur et des vaisseaux
sanguins, qui assurent le déplacement du sang. Ce dernier est un fluide qui
sert de véhicule à toutes les molécules et substances de l’organisme. Le sang
est en même temps un tissu à part entière, avec des cellules et des fonctions
propres ;
• l’appareil urinaire, dont la fonction est d’éliminer les « déchets »
métaboliques hydrosolubles. Il est formé des deux reins et de l’arbre urinaire. Chez
l’homme, sa partie terminale est commune avec l’appareil génital
masculin ;
• l’appareil génital, différent chez l’homme et chez la femme, qui a pour rôle
la transmission de la vie (reproduction), est constitué :
– des organes génitaux internes : ovaires, utérus et annexes utérines chez la
femme ; testicules, canal déférentiel et glandes annexes chez l’homme ;
– des organes génitaux externes : vulve et vagin chez la femme, pénis chez
l’homme ;
• l’appareil endocrinien, qui a un rôle de contrôle et de commande de
l’activité de l’ensemble des autres appareils. Il est formé des glandes endocrines :
hypothalamus, hypophyse, épiphyse, thyroïde, parathyroïdes, surrénales,
glandes sexuelles (testicules et ovaires), pancréas ;
• le système nerveux, dont le rôle est également de commande, de contrôle et
d’intégration des autres appareils. Il est formé d’une portion centrale, le
névraxe et une portion périphérique, les nerfs. Les organes de sens, bien
qu’ayant une origine commune avec le système nerveux et étant en étroite
liaison fonctionnelle avec celui-ci, ne peuvent être totalement intégrés ; ils
seront donc traités à part ;
• on considère aussi comme un organe à part la peau, qui n’appartient à aucun
appareil.
L’ensemble de ces structures (cellules, tissus, organes, organisme) sont
caractéristiques de la matière vivante. Celle-ci est différente de ce qui l’entoure (de la
matière inerte) par sa structure chimique.
La limite entre ces deux « mondes » est la membrane cellulaire. De sa capacité
de maintenir la différence entre la composition chimique des milieux qui se
trouvent au contact de ses deux versants ainsi que de sa capacité à maintenir
constante la composition du milieu intracellulaire dépend le maintien de la vie. Au
moment où, pour une raison ou pour une autre, la membrane cellulaire n’est plus
capable de maintenir ces paramètres, la mort cellulaire s’ensuit.
La capacité d’échanger des substances avec le milieu extérieur tout en
maintenant une composition constante du milieu interne est appelée « homéostasie » ;
elle nécessite une grande dépense énergétique.
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10 Niveaux d’organisation du corps humain
L’énergie nécessaire est fournie par la dégradation de molécules simples tels le
glucose ou les acides gras, dans le cadre du métabolisme cellulaire. L’obtention
d’énergie à partir de ces molécules nécessite la présence d’enzymes et d’oxygène
(cf. infra). L’approvisionnement en molécules énergétiques et en oxygène est
primordial pour la vie cellulaire ; il est assuré par le sang. Les enzymes évoqués sont
synthétisés grâce à l’information contenue dans le noyau cellulaire.
Après une vie plus ou moins longue (en fonction du type de cellule), la lecture
de cette information nucléaire se fait de moins en moins bien, l’activité
métabolique diminue et, progressivement, les échanges à travers la membrane
diminuent ; c’est le vieillissement cellulaire. L’arrêt des échanges
trans-membranaires signe la fin de la vie cellulaire.
La mort cellulaire peut aussi être la conséquence de l’action brutale de facteurs
chimiques, physiques ou biologiques sur la cellule (les radiations ionisantes,
certaines toxines ou poisons, l’agression par des bactéries ou virus, etc.).
Si un nombre assez important de cellules meurent en même temps, la structure
du tissu auquel elles appartiennent est altérée ; les fonctions de l’organe auquel
appartient le tissu sont également lésées et si les dégâts sont très importants, tout
un appareil peut se trouver anéanti du point de vue fonctionnel ; la mort de
l’organisme peut s’ensuivre. Exemple : lorsque le muscle cardiaque n’est plus
approvisionné en sang, il est privé de substrat nutritif. Les cellules fonctionnent jusqu’à
épuisement de leurs réserves énergétiques, puis leur métabolisme s’arrête et les
cellules meurent. Cette condition est connue sous le nom d’infarctus du
myocarde. Si cette anomalie concerne un nombre important de cellules, le tissu
musculaire cardiaque est modifié et sa fonction (la contraction qui permet de faire
circuler le sang) se trouve diminuée. À partir d’un certain degré d’altération de
cette fonction, la circulation du sang ne s’effectue plus normalement et l’apport
de sang aux tissus est diminué. La souffrance ou même la mort des tissus, des
organes et de l’organisme entier peuvent en être la conséquence.
Nous allons étudier dans l’ordre les différences entre la matière vivante et la
matière inerte, puis la structure des cellules, des tissus, les organes et les appareils
avec leur structure et leurs fonctions.
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Section 2
Biomolécules :
structures et propriétés
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2
Biomolécules :
structure et propriétés
L’organisme humain est constitué :
– d’eau (60 à 65 %) ;
– de constituants minéraux ;
– de constituants organiques.
Tous ces constituants proviennent du milieu externe par deux voies
principales : l’appareil digestif (pour les constituants organiques, l’eau et les constituants
minéraux à l’exception notamment de l’oxygène) et l’appareil respiratoire (pour
l’oxygène).
Dans le tube digestif ces « matières premières » sont transformées en
molécules assimilables et utilisables par l’organisme. Ces molécules ainsi que l’oxygène
sont absorbées dans le sang et véhiculées vers les tissus. À ce niveau, elles sont
utilisées par les cellules selon leur nature, pour la fabrication d’énergie, pour
reconstituer le stock d’ions, pour assurer des réserves métaboliques, pour
reconstruire et entretenir les structures cellulaires, etc.
Les résidus métaboliques cellulaires sont ensuite retransférés dans le sang et
transportés vers les appareils qui assurent leur élimination (appareils rénal et
respiratoire).
1. Rappels de chimie
1.1. Constitution physique des atomes
La matière, aussi bien inerte que vivante, est constituée de particules
élémentaires : les atomes.
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14 Biomolécules : structures et propriétés
Chaque atome est constitué :
– d’un noyau central qui contient des protons, particules à charge électrique
positive et des neutrons, particules sans charge électrique ;
–d’électrons, petites particules à charge électrique négative, attirées par les
charges positives du noyau et gravitant autour de celui-ci.
Le nombre de protons est toujours égal à celui d’électrons, ce qui fait que la
charge électrique globale de l’atome est nulle. Le nombre de protons est
caractéristique pour chaque élément chimique : l’atome qui contient un seul proton dans
son noyau est l’atome d’hydrogène, et ce quelle que soit la structure dans laquelle
il pourrait être inclus. L’atome possédant six protons est un atome de carbone ;
celui qui possède huit protons est un atome d’oxygène et ainsi de suite.
Les électrons ne tournent pas de manière chaotique autour du noyau, mais sont
répartis en paires (orbitales), sur des orbites ou niveaux électroniques. Chaque
orbite peut recevoir un nombre limité d’électrons et elle est stable du point de vue
électrique lorsqu’elle contient le maximum d’électrons possible.
1.2. Liaisons
Le nombre d’électrons qu’un niveau peut contenir augmente au fur et à mesure
qu’on s’éloigne du noyau. Par exemple, le niveau le plus proche du noyau
contient une orbitale, donc une paire d’électrons. Le deuxième peut en contenir huit
répartis en quatre orbitales. Un atome ne possédant qu’un seul proton et un seul
électron ne peut pas « remplir » l’orbitale de son premier niveau électronique. Or
ce niveau n’est stable que s’il est saturé. L’atome d’hydrogène est donc instable
et a tendance à trouver une configuration qui lui assure la stabilité électrique.
Cette stabilité peut être obtenue soit par liaison covalente, soit par liaison
ionique.
1.2.1. Liaison covalente
Lorsqu’un atome met en commun un ou plusieurs électrons avec d’autres
atomes identiques ou différents en créant des orbites communes, on parle de liaison
covalente. Les complexes résultant de ces liaisons sont des molécules covalentes.
Tous les constituants organiques de la matière ont à la base des liaisons
covalentes, notamment les liaisons entre deux atomes de carbone (C-C), entre un atome
de carbone et un atome d’hydrogène ou d’oxygène (C-H ou C-O).
Lorsque deux atomes ont plusieurs places disponibles sur leurs orbitales et
qu’ils mettent plus d’un électron en commun, la liaison qui apparaît est une
liaison multiple. Dans le monde vivant, on peut trouver des liaisons simples ou
doubles (C=C ou C=O par exemple).
1.2.2. Liaison ionique
Lorsqu’un atome cède ou accepte un ou plusieurs électrons, le niveau
électronique incomplet « se vide » ou « se remplit ». La charge électrique de l’atome
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Biomolécules : structure et propriétés 15
ainsi modifié n’est plus nulle : elle est positive si l’atome cède des électrons (les
protons restent plus nombreux que les électrons) ou négative si l’atome accepte
des électrons. Ces atomes « modifiés » sont appelés ions. Ils peuvent ensuite se
coupler entre eux selon la loi de la complémentarité électrique positif-négatif.
C’est le principe des liaisons ioniques. Par exemple le sel de cuisine (chlorure de
+ – +sodium, Na Cl ) est issu du couplage entre un ion positif de sodium (Na ) et un
–ion négatif de chlore (Cl ).
Ce processus de perte d’électrons peut apparaître aussi dans certaines
structures covalentes. Entre deux atomes de carbone, les électrons sont tout autant attirés
par les deux noyaux et la transformation en ions est pratiquement impossible.
Entre un atome d’hydrogène et un atome d’oxygène dans une molécule d’eau, il
existe un déséquilibre : le noyau de l’hydrogène contient un seul proton, donc une
seule charge positive, alors que le noyau de l’oxygène contient six protons ; il est
donc plus électropositif et attire plus fortement les électrons. Les orbites
communes sont déformées, l’oxygène devient partiellement électronégatif et
l’hydrogène partiellement électropositif. La molécule d’eau est dite « polarisée ». Il
existe la possibilité que le noyau d’hydrogène soit attiré par une autre charge
électrique et qu’il quitte la molécule. La molécule se divise alors en deux ions :
– un ion négatif formé de l’oxygène et de l’un des atomes hydrogène, partie
–qui garde une charge électronégative (OH ) ;
+– un ion positif, en fait le noyau (proton) de l’autre atome d’hydrogène (H ).
2. Eau
L’eau est le constituant le plus abondant de l’organisme humain. La teneur en
eau de l’organisme varie avec plusieurs paramètres, dont le plus important est
l’âge. Chez l’embryon, l’eau représente plus de 90 % du poids. Chez le
nouveauné ce pourcentage se réduit à 70 % et par la suite il ne fait que baisser pour
atteindre 65 % chez l’adulte et décroît chez la personne âgée. La teneur en eau de
l’organisme peut varier aussi fonction des conditions externes (température,
humidité) ou avec certaines conditions pathologiques (fièvre, diarrhées
abondantes, etc.).
2.1. Propriétés de la molécule d’eau
La molécule d’eau (figure 3) est formée de deux atomes d’hydrogène liés à un
atome d’oxygène. L’oxygène est, parmi les éléments importants en biologie, le
plus fortement électronégatif. La conséquence de l’électronégativité d’un
élément est que, lorsqu’il s’unit à un élément moins électronégatif que lui, il attire
les électrons de ce dernier en créant une liaison polarisée (cf. supra).
Parmi les liaisons chimiques les plus usuelles, la plus fortement polarisée est
la liaison C=O, suivie de la liaison O-H. Dans une molécule d’eau, la polarisation
des liaisons O-H aboutit à une partie électronégative (l’atome d’oxygène) et à
deux pôles électropositifs (les atomes d’hydrogène).
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16 Biomolécules : structures et propriétés
H H
Un atome d’oxygène met en commun
1. O O ses électrons avec deux atomes
d'hydrogèneH H
+δ Le noyau plus grand de l’oxygène attire
H plus les électrons que ceux des atomes
–δ
2. O d’hydrogène. L’oxygène se trouve partiellement
+ –électronégatif (δ ) et les atomes d’hydrogèneδH +partiellement électropositifs (δ ).
– + +δ δ δO HH
+ + –δ δ δL’attirance entre l‘O d’une moléculeH H + O –δ δ +H δet le H d’une autre crée des liens
3. –– +δδ δ faibles entre les molécules d’eauO O H
+ – (liaisons hydrogènes).δ δ+ +δ δHH H O
+δH
Figure 3 La molécule d’eau : polarité et liaisons hydrogène.
De plus, la forme de la molécule d’eau est particulière du fait que l’atome
d’oxygène a deux électrons libres en plus de ceux qui participent aux liaisons
avec l’hydrogène. La molécule se trouve « déformée » et les liaisons O-H
forment un angle qui éloigne la partie électronégative de la molécule et la partie
électropositive.
Les molécules d’eau s’attirent les unes les autres selon la complémentarité des
charges électriques et forment des ponts hydrogène.
Les liaisons (ou ponts) hydrogène sont les principales liaisons non covalentes
en biochimie. Elles s’établissent entre les atomes d’hydrogène d’un groupe (par
exemple -OH ou -NH) et les paires d’électrons libres d’autres atomes (par
exemple O ou N). Ces liaisons sont beaucoup plus faibles que les covalences mais,
dans le cas des macromolécules, elles peuvent être très nombreuses et participer
de manière significative à la stabilité de la molécule.
Les liaisons hydrogène doivent être brisées pour isoler et éventuellement
utiliser une molécule d’eau. C’est ce qui explique entre autres le point d’ébullition
élevé de l’eau (100 °C) et le fait qu’à température ambiante l’eau soit liquide.
2.2. Fonctions de l’eau
Les fonctions de l’eau dans l’organisme sont multiples et fondamentales :
• La polarisation de la molécule et la capacité de former des ponts hydrogène
sont à la base de la fonction de solvant de l’eau : l’eau représente un solvant pour
tous les ions (sels minéraux) et autres molécules hydrosolubles (molécules
organiques polaires : alcools, acides, cétones, amines, etc.). Les ions attirent les
molécules d’eau, qui s’agencent autour d’eux de manière régulière en fonction de la
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Biomolécules : structure et propriétés 17
charge électrique de l’ion en question (figure 4). L’eau liée aux ions de cette
manière est nommée « eau libre », car les liaisons sont faibles et l’eau peut en
être libérée avec une faible consommation d’énergie.
• L’eau est le milieu de dispersion. Dans les liquides biologiques (sang,
liquide céphalorachidien, liquide péritonéal, etc.), les molécules électriquement
–neutres mais possédant des groupes hydroxyle (OH ) comme les glucides
peuvent facilement former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau et sont
ainsi solubilisées. De plus, l’eau liée aux macromolécules (comme, les protéines)
permet de stabiliser leur structure par le biais de ces liaisons hydrogène. Cette
eau est nommée « eau liée » car elle est partie intégrante de la structure des
macromolécules : en son absence celles-ci voient leur structure altérée.
• L’eau intervient dans de très nombreuses réactions chimiques :
additionélimination ; dissociation-protonation, substitution…
La plupart des réactions qui permettent la dégradation des molécules complexes
en molécules simples sont des réactions d’hydrolyse (littéralement, « destruction à
l’aide de l’eau ») ou inversement, des réactions de synthèse de molécules complexes
à partir de molécules simples (réactions de condensation) avec libération d’eau
(figure 4).
O
O
a. R C + H H R' R CH O C + H O2 2 2
OH
R'
acide amine amide
Obtention d’une amide. Une réaction amide similaire est à la base de
la synthèse des protéines.
O
O
b. R CH OH + C R' ROCH C R' + H O2 2 2
HO
alcool acide ester
Obtention d’un ester. Une réaction similaire est à la base de la synthèse
des triglycérides (graisses).
c. R CH OH + HO R' ROCH R' + H O2 2 2
alcool alcool éther
Obtention d’un éther. Une réaction similaire est à la base de la synthèse
des polysaccharides.
Figure 4 Exemples de réactions utilisant l’eau.
2.3. Compartiments liquidiens
L’eau est répartie dans l’organisme en deux compartiments :
• le compartiment intracellulaire (ou liquide intracellulaire, LIC) comprend
l’eau de structure des cellules ;
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18 Biomolécules : structures et propriétés
• le compartiment extracellulaire (ou liquide extracellulaire, LEC)
comprend :
– le liquide interstitiel, qui est le liquide de structure des tissus ;
– le compartiment des fluides circulants, qui comprend notamment le sang.
Le compartiment intracellulaire est séparé du compartiment extracellulaire par
la membrane cellulaire. Le liquide interstitiel est séparé du fluide circulant par la
paroi des vaisseaux sanguins (figure 5). Comme nous allons le voir par la suite,
la composition de ces compartiments est différente, notamment en ce qui
concerne leur teneur en minéraux et ce malgré des échanges continus à travers leurs
structures de séparation. Si la membrane cellulaire (ou membrane plasmique)
permet les échanges sur toute sa surface, entre les compartiments interstitiel et
circulant les échanges ne sont possibles qu’au niveau des plus petits vaisseaux
sanguins (capillaires), dont les parois ont une structure particulière, adaptée à
cette fonction. Tous les échanges cités ont pour véhicule l’eau.
1
2 a. Vaisseaux sanguinsa
b. Tissus
3 c. Cellules
1. Paroi du vaisseau4
sanguin
2. Sang (LEC)b
3. Liquide interstitiel (LEC)
5 4. Membrane cellulaire
5. Compartiment
intracellulaire (LIC)
c
On remarque : – la séparation entre les fluides circulants (le sang) et le liquide interstitiel
par la paroi vasculaire ;
– la séparation entre le compartiment intracellulaire et le compartiment
extracellulaire par la membrane plasmique cellulaire.
Figure 5 Séparation des différents compartiments liquidiens dans l’organisme.
L’organisme tolère des variations relativement limitées de sa teneur en eau. En
règle générale, chez l’homme les variations compatibles avec la vie sont de
l’ordre de 10 %. Une trop forte teneur en eau est une hyper-hydratation, une trop
faible teneur en eau est une déshydratation.
3. Constituants minéraux – Ions
La constitution du monde vivant n’est pas fondamentalement différente de
celle du monde inerte. Les deux sont constitués des mêmes éléments chimiques
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Biomolécules : structure et propriétés 19
de base : hydrogène, carbone, oxygène, calcium, magnésium, sodium, potassium,
azote, phosphore, silicium. D’autres éléments s’y trouvent en plus petite quantité.
Il existe cependant des différences majeures entre les deux modes d’organisation
de la matière.
La première différence importante est la proportion dans laquelle les éléments
chimiques cités se combinent (figure 6).
Croûte terrestre Monde vivant
O25 %O 45 % 22
Si28 %Si
NaNa 5 %
K5 % K
25 % C2 % C
48 % H2 % H
PP
Autres12 % Autres
Figure 6 Composition du monde vivant comparée à celle du monde minéral.
Dans le monde vivant, les trois principaux éléments représentés sont dans
l’ordre l’hydrogène (48 %), le carbone (25 %) et l’oxygène (25 %). Le reste des
éléments se trouvent en petite quantité, ce qui ne préjuge nullement de leur
importance pour le fonctionnement de l’organisme. Nous verrons un peu plus
tard l’importance capitale des ions sodium et potassium pour le maintien de la
structure et de l’activité cellulaires. Même des éléments présents en quantité
infinitésimale dans l’organisme, comme le cobalt, ont des rôles importants dans la
structure de certaines molécules.
Dans le monde inerte, prenons pour exemple la répartition des éléments dans
la croûte terrestre : l’élément le plus important en quantité est l’oxygène (45 %),
suivi du silicium (28 %) puis du calcium et du sodium (approximativement 4-5 %
chacun). Le reste est constitué d’autres éléments parmi lesquels l’hydrogène
(2 %), le carbone (2 %), etc.
Si nous regardons de plus près ces chiffres, nous pouvons constater que la
matière organique (vivante) accumule en grande quantité un petit nombre
d’éléments. En effet, les « autres éléments » représentent dans le monde organique à
peine 1 % alors que dans l’inorganique ils représentent plus de 12 %.
À part l’oxygène, qui se trouve aussi bien dans la croûte terrestre que dans la
matière vivante, les trois autres éléments constitutifs de cette dernière lui sont
spécifiques, puisqu’ils ne se trouvent qu’en très petite quantité dans le monde
minéral (le carbone, l’hydrogène et l’azote). Ces éléments sont appelés des
macroéléments.
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20 Biomolécules : structures et propriétés
Parmi les éléments minéraux présents en faible quantité dans l’organisme
vivant, certains comme le fer, le phosphore ou le soufre, remplissent également
des fonctions importantes.
D’autres enfin ne se trouvent qu’à l’état de traces. Ce sont les oligoéléments
(oligos, « peu »). Leur présence est indispensable à la vie ; ils servent le plus
souvent de cofacteurs pour le fonctionnement d’enzymes ou font partie de la
structure de vitamines (cf. chapitre correspondant).
Les éléments entrant dans la composition de l’organisme ne sont pas
également répartis entre les différents compartiments de celui-ci (figure 7). La
principale différence concerne la répartition ionique entre les compartiments intra- et
extracellulaire, donc de part et d’autre de la membrane cellulaire. Les
phénomènes de transport transmembranaire seront étudiés avec les autres propriétés de la
membrane mais nous dirons dès maintenant que la différence majeure entre
+l’intérieur et l’extérieur de la cellule est la concentration en ions K (potassium)
+et Na (sodium). Ainsi, l’intérieur de la cellule est un milieu à forte concentration
+en ions K (139 mMol par rapport à 4 mMol dans le LEC) ainsi qu’en potassium,
magnésium et phosphates. Le milieu extracellulaire est à forte concentration en
+ions Na (145 mMol contre 10 mMol dans le LIC) ainsi qu’en ions chlore et
bicarbonate. En plus, le milieu extracellulaire est riche en oxygène, acides gras,
glucose et acides aminés.
Extracellulaire Intracellulaire
+Na145
+ 139K
–108 Cl
PO et anions organiques 1204
++ ++Ca + Mg
–HCO3
Figure 7 Répartition des ions de part et d’autre de la membrane cellulaire.
Les éléments minéraux se trouvent dans l’organisme sous deux formes :
– une forme soluble, ionique, qui est la forme la plus importante du point de
vue fonctionnel, constituée de sels minéraux dissociés en ions dans de l’eau.
C’est sous forme ionique que les éléments minéraux sont absorbés au
niveau digestif, qu’ils entrent dans l’organisme et interviennent dans le
métabolisme cellulaire. C’est la forme sous laquelle ils participent aux
réactions chimiques (comme réactants ou catalyseurs) et permettent le maintien
de certaines constantes physico-chimiques nécessaires à ces réactions (par
exemple, le pH). Il s’agit de la seule forme capable de traverser les
membranes et donc, de la forme d’échange entre les différents compartiments
(cel© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3051_.book Page 21 Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Biomolécules : structure et propriétés 21
lulaire, interstitiel et circulant). Sous cette forme, certains minéraux peuvent
se lier à des protéines qui leur servent de transporteur dans le sang (protéines
de transport) ;
– une forme insoluble ou peu soluble, forme de réserve et qui participe à la
constitution des parties rigides de l’organisme, comme le squelette. C’est
généralement la plus importante du point de vue quantitatif.
4. Constituants organiques
4.1. Rappel (figure 8)
Les constituants organiques sont des molécules covalentes (cf. supra) dont la
chaîne de base est formée d’atomes de carbone. Dans une telle structure, l’atome
de carbone est relié à un autre carbone par l’une de ses valences (liaison simple)
ou par deux valences (liaison double). Les autres valences de l’atome de carbone
sont satisfaites avec des atomes d’hydrogène, d’oxygène et plus rarement
d’autres atomes. Les enchaînements constitués uniquement de carbone et
d’hydrogène sont des hydrocarbures simples. Les atomes de carbone liés à
d’autres atomes que l’hydrogène constituent des groupements. Les différents
groupements peuvent réagir entre eux, donnant naissance à des structures
complexes. La plupart des molécules organiques sont de telles structures complexes.
Les molécules organiques possédant une valence libre (par la perte d’un atome,
par exemple), sont des radicaux. Ce sont des formes instables et donc très
réactives. On note par convention « R » aussi bien les radicaux que la partie d’une
molécule qui ne présente pas un intérêt particulier dans la réaction décrite.
H H
a.HCC H hydrocarbure simple
H H
H H
b.HCC radical alkyl (R)
H H
c.ROCH H ou ROH alcool2
OH groupement hydroxyle
O
d. R CR' cétone
O C O groupement carbonyle
R C aldéhyde
H
Figure 8 Différents groupements organiques.
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22 Biomolécules : structures et propriétés
O O
e. RC acide C groupement carboxyle
OH OH
f. amine groupement aminoRNCH H NH2 2 2
g. Produits de réaction entre certains groupements :
1.RROH + HO' RRO '
alcool alcool éther
O
O
2.ROOH + C R' RC R'
HO
alcool acide ester
O
O
3.RNNH + C R' RH CR'2
HO
amine acide amide
h. Produits d’oxydation de certaines molécules organiques (représentation simplifiée)
RCCH H + O RCCH H OH2 3 2 2 2
alcool
RCOH + O RH O2
alcool aldéhyde
OCH O + O R2
OH
aldéhyde acide
Figure 8 Différents groupements organiques (suite).
Les constituants organiques de l’organisme sont les glucides, les lipides, les
protides et les nucléotides (et acides nucléiques).
Les glucides sont des molécules comportant un groupement carbonyle et
plusieurs groupes carboxyle (figure 9). Ils peuvent être :
– des sucres simples ou monosaccharides ;
– des polymères de sucres simples ou osides (oligo- et polysaccharides) ;
– des molécules complexes, qui contiennent en dehors de la structure
glucidique d’autres restes moléculaires (acide glucuronique pour les
glycosaminoglycanes ou protéine pour les glycoprotéines).
Les lipides (figure 10) forment un groupe de molécules peu ou pas solubles
dans l’eau et solubles dans des solvants organiques (acétone, chloroforme, etc.).
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Biomolécules : structure et propriétés 23
Cette propriété dérive de l’absence, dans leur structure, d’atomes polarisés. Selon
leur structure, on peut les diviser en :
• lipides hydrolysables (dont la structure peut être coupée à l’aide d’une
molécule d’eau). Ce sont :
– des esters (par exemple les graisses ou triglycérides, qui sont des esters
d’acides gras et de glycérol) ;
– les phospholipides, qui sont des assemblages plus complexes d’esters
contenant notamment de l’acide phosphorique ;
– les glycolipides, dont la molécule contient un reste de glucide ;
• lipides non hydrolysables (dont la structure ne peut être coupée par l’eau). Il
s’agit notamment du cholestérol et de ses dérivés, les stérols ou stéroïdes,
comme par exemple les hormones stéroïdiennes (testostérone,
progestérone, etc.).
1H C O
HOC H 2 C H
HOCH2
H C OH O OHH
HHOC H
HOHC H HOH
H H OH
forme linéaire forme cyclique
1 Groupe carbonyle
2 Groupe hydroxyle
Figure 9 La structure des glucides (molécule de glucose).
O
41
H C OH H C O C R2 2
2 OO
HOC H
3C R HC O C R'
HCOH HO2
H C O C R''2
glycérol acide
O
triester de glycérol avec
3 molécules d’acide
1 3Groupe hydroxyle (alcool) Radical organique
2 Groupe carboxyle (acide) 4 Liaison ester
Figure 10 Éléments constitutifs des lipides-liaison ester.
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24 Biomolécules : structures et propriétés
Une autre classification distingue les lipides simples, classe qui comprend
uniquement les esters d’acides gras, et les lipides complexes (phospholipides,
lipoprotéines, glycolipides, stéroïdes).
Les protides sont des polymères d’acides aminés, dont la structure peut être
simple (peptides) ou complexe (protéines).
Les bases azotées, les nucléotides et les acides nucléiques sont des molécules
complexes responsables du stockage et de l’expression de l’information
génétique. Les bases azotées sont des hétérocycles aromatiques. Les nucléotides sont
des assemblages d’une base azotée avec une molécule de glucide (ribose ou
désoxyribose) et une molécule d’acide phosphorique. Les polymères des
nucléotides sont les acides nucléiques, acide ribonucléique (ARN) et
désoxyribonucléique (ADN).
4.2. Glucides
4.2.1. Monosaccharides
a. Structures des glucides simples (exemples)
H
H C O H C OH H
HOC H C O H COH C H HO C H CO
H C OH H C OH H C OH
HOC H HOC H HOC HC HC HC H
H H H
(glucose) (fructose) (ribose)
aldohexose cétohexose cétopentose
b. Formes cycliques
HOCH2
O H O OH O OHH HOCH H2
H
H HO HOH H H
OH CH OH CH OHOH H 2 H 2
H OH OH H OH OH
glucose fructose ribose
(cycle pyrane) (cycle furane) (cycle furane)
Figure 11 Structure des glucides simples (exemples).
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Biomolécules : structure et propriétés 25
Les monosaccharides sont des molécules organiques dont la structure
comporte un groupement carbonyle (aldéhyde ou cétone) et plusieurs groupes
hydroxyle. On peut assimiler ces molécules à des polyalcools dont l’un des
groupes -OH a été oxydé en fonction aldéhyde (aldoses) ou cétone (cétoses).
La chaîne de carbone est comprise entre 3 et 8 atomes, les molécules les plus
importantes étant celles avec 5 (pentoses) ou 6 (hexoses) atomes de carbone
(figure 11). Il est donc possible de distinguer des aldopentoses (ribose, xylose,
etc.), des aldohexoses (glucose, galactose, etc.), des cétopentoses (ribulose) et
des cétohexoses (fructose). Toutes ces molécules peuvent exister sous forme
linéaire ou cyclique.
D’autres molécules présentent certaines particularités de structure, telles que :
– la réduction d’un groupe OH (la molécule la plus importante de cette famille
est le désoxyribose) ;
– la réduction de la fonction carbonyle en un groupe hydroxyle (sucres
alcools, par exemple le sorbitol ou le mannitol).
O
HO CH HO C2
O OOHH
[O]
HOH
oxydation
HOH
H OH
acide glucuronique
O
HOCH HO P O CH2 2
OO OOH
+ HO P OH
estérification
OH
(H PO ) acide phosphorique (glucose-6-phosphate)3 4
HOCH HO CH2 2
O C OH
[H]
CH OH2
réduction
sorbitol
Figure 12 Exemples de modifications métaboliques d’une molécule de glucide.
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26 Biomolécules : structures et propriétés
Certaines modifications de la molécule intervenant dans l’organisme à l’aide
d’enzymes permettent d’utiliser les glucides dans le métabolisme cellulaire
(figure 12) :
– la phosphorylation représente une réaction fondamentale pour l’accès des
monosaccharides dans les cycles métaboliques cellulaires (notamment celui
de la glycolyse) ;
– l’oxydation ou acidification conduit à la formation d’un acide uronique. Le
représentant le plus important de cette famille est l’acide glucuronique,
résultat de l’acidification du glucose ;
– le rattachement à la molécule d’un reste amino ou acétyl (souvent les deux).
Les osamines sont souvent rencontrées dans la structure des
polysaccharides et les acétyl-osamines sont des constituants importants des
glycoprotéines (par exemple le N-acétylglucosamine ou le N-acétylgalactosamine).
Une particularité des molécules de glucides est de présenter une forme
cyclique (cf. figure 11), obtenue par une réaction intramoléculaire entre un
groupement hydroxyle et le groupement aldéhyde. Pour les aldohexoses (dont le
glucose), la réaction implique le plus souvent le carbone C5, ce qui mène à un cycle
hexagonal (pyrane). Si le carbone impliqué est le C4, le cycle obtenu sera
pentagonal (furane).
HO
C
1 R1
H C OH
2
HO C H R13
*HOC H HO C H
4C H R25
R R1 1HOC H
6
HO C H HOC H
H R2
R R2 2
isomère D isomère L
* Carbone chiral
Figure 13 Isomérie optique.
Les molécules de glucides peuvent présenter différentes formes d’isomérie.
Lorsqu’une molécule comporte des atomes de carbone dont les quatre
substituants sont différents les uns des autres (carbone asymétrique), deux dispositions
de la molécule deviennent possibles, qui sont l’image « en miroir » l’une de
l’autre (figure 13). Le carbone en question devient un centre chiral, c’est-à-dire
un centre autour duquel la molécule peut se disposer de différentes manières. Les
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Biomolécules : structure et propriétés 27
deux molécules, qui ne diffèrent que par la disposition des atomes autour de ce
centre, sont des isomères optiques ou énantiomères. La particularité de ces
isomères est de dévier le plan de la lumière à gauche (lévogyres, notés L) ou à droite
(dextrogyres, notés D).
Le plus important des monosaccharides naturels est le glucose. Son principal
rôle est de fournir le substrat énergétique de pratiquement toutes les réactions
biochimiques de l’organisme.
4.2.2. Osides ou polysaccharides
4.2.2.1. Disaccharides
Les disaccharides (figure 14) sont des glucides dimères obtenus à partir
de deux molécules de monosaccharides reliées par une liaison glycosidique. Ce
type de liaison s’établit par condensation entre un groupe -OH d’une molécule et
un -OH d’une autre molécule de glucide cyclique. Dans les organismes vivants,
ces liaisons sont catalysées par des enzymes spécifiques.
HOCH HOCH2 2
HO O
O
liaison glycosidique
Figure 14 Disaccharide – Structure générale.
Les disaccharides les plus souvent impliqués dans les réactions biochimiques
dans l’organisme sont (figure 15) :
– le lactose, présent dans le lait des mammifères et qui constitue la base de
l’alimentation des nouveau-nés. Il est constitué d’une molécule de
D-galactose et d’une molécule de D-glucose, toutes deux sous forme cyclique
pyranosique ;
– le saccharose, présent dans de nombreux végétaux (canne à sucre, betterave
sucrière). Il est constitué d’une molécule de glucose et d’une molécule de
fructose ;
– le maltose est la structure de base d’un polysaccharide, l’amidon (cf. infra).
Il est constitué de deux molécules de glucose.
4.2.2.2. Polysaccharides
Les polysaccharides sont des polymères de glucides. Les liaisons qui unissent
les molécules de monosaccharides entre elles sont du même type que dans les
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28 Biomolécules : structures et propriétés
disaccharides. Les monomères peuvent être identiques entre eux (les
polysaccharides sont dans ce cas des homoglycanes ou holosides) ou différents (les
polysaccharides sont alors des hétéroglycanes ou hétérosides). Les deux types de
molécules peuvent être linéaires ou ramifiées.
CH OH CH OH2 2
O OH OHH
HOH OH
OOH
H OH OH
maltose
CH OH CH OH2 2
O OOH
OOH OH
OH OH
lactose
CH OH2
O OCH OH2
O
saccharose
Figure 15 Molécule de lactose, saccharose, maltose.
Selon leur fonction, les polysaccharides sont :
– des molécules de structure, qui confèrent leur stabilité de forme et leur
rigidité aux structures cellulaires et tissulaires ;
– des molécules de réserve énergétique, comme le glycogène (figure 16) ;
– des fixateurs d’eau, dont le rôle est de maintenir l’hydratation des tissus.
CH OH2
O
O O
HOCH HOCH CH2 2 2
O O O
OO O O
Figure 16 Structure de base des polysaccharides – Le glycogène.
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Biomolécules : structure et propriétés 29
Chez les végétaux, deux polysaccharides dérivés du glucose sont importants :
la cellulose et l’amidon.
CELLULOSE
La cellulose est un polysaccharide à monomères glucose. La cellulose est la
plus abondante des substances organiques trouvées dans la nature. Elle forme
notamment les parois végétales et peut constituer jusqu’à 98 % de certaines fibres
comme le coton.
Les molécules sont très longues et résistantes aussi bien sur le plan mécanique
que chimique. Le tube digestif de la plupart des mammifères est incapable de
dégrader la cellulose. Certains herbivores ont dans leur flore intestinale des
micro-organismes capables de dégrader ces molécules et de les rendre ainsi
utilisables pour leurs hôtes.
Les fibres alimentaires
Il s’agit d’un groupe hétérogène de polysaccharides d’origine végétale non
digérables par les enzymes du tube digestif humain. Certaines se trouvent dans la paroi des
cellules végétales, comme la cellulose, la lignine, la pectine. D’autres se trouvent dans
leur cytoplasme, comme les gommes, l’agar-agar, les carraghénanes.
Certaines fibres sont solubles dans l’eau (pectine notamment) pour former des gels
qui, dans le tube digestif diminuent l’absorption de molécules tels les lipides. D’autres
sont insolubles dans l’eau et participent à la constitution du bol fécal.
AMIDON
L’amidon est la principale forme de réserve glucidique des végétaux, où il
forme de petits grains microscopiques. Il est le glucide le plus important dans la
ration alimentaire de l’homme. Les grains d’amidon sont constitués de deux
types de molécules :
–l’amylose, molécule strictement linéaire formée de restes de glucose. En
raison de la configuration spatiale des liaisons, la molécule d’amidon prend la
forme d’une hélice. En contact avec des colorants iodés, cette hélice capte
en son centre les atomes d’iode et prend une coloration bleue. C’est
également cette configuration qui permet à l’amidon de se transformer en
solution colloïdale (pâte ou bouillie) lors d’une cuisson de longue durée ;
–l’amylopectine qui est une molécule ramifiée avec des liaisons α 1-6. Cette
partie de l’amidon est strictement insoluble dans l’eau. En présence de
colorants iodés, elle se colore en brun.
GLYCOGÈNE
Le glycogène est un polysaccharide très important pour l’organisme humain.
Il s’agit d’un polymère ramifié de glucose dont il représente la forme de stockage.
Par endroit (en règle générale, tous les 8 à 10 monomères), on trouve de surcroît
des liaisons linéaires similaires à celles des disaccharides, des liaisons latérales
qui sont à l’origine des ramifications.
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30 Biomolécules : structures et propriétés
Dans les tissus animaux, on trouve souvent des molécules de glucides plus
complexes, comme par exemple les glycosaminoglycanes, molécules présentes
dans pratiquement tous les tissus de l’organisme. L’une des plus importants
représentants de cette famille est l’acide hyaluronique dont la structure permet
une forte hydratation de la molécule et la formation de gels. L’humeur vitrée de
l’œil par exemple est constituée de 1 % d’acide hyaluronique, ce qui permet
l’obtention d’un gel transparent avec une hydratation de 98 %.
De nombreuses protéines se trouvent dans l’organisme couplées à des chaînes
ou à des restes de glucides sous forme de glycoprotéines (des hétérosides). Tel est
notamment le cas des molécules de protéines lors de leur synthèse intracellulaire
et du passage à travers le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi (cf.
« Structure cellulaire »), ou pour les molécules de structure des membranes
cellulaires. En revanche, les protéines circulantes (dans le sang) ne se trouvent
pratiquement jamais couplées avec des glucides.
D’autres hétérosides sont constituées de molécules de glucides couplées à des
molécules lipidiques ; ces glycolipides sont des constituants importants du tissu
nerveux.
a. Glucose
HOCH HOCH2 2
O OH OHH H
H HOH OH
HO OH HO H
H OH H OH
α glucose β glucose
b. Amidon
HOCH HOCH HOCH2 2 2
O O O
OH OH OH
HO O O O etc.
OH OH OH
amidon
Cellulosec.
HOCH HOCH HOCH2 2 2
O O O
OH O OH OOOH
HO etc.
OH OH OH
cellulose
Figure 17 Structure du glucose de l’amidon et de la cellulose.
4.3. Lipides
Les lipides sont une classe hétérogène de molécules chimiques, réunies sous
une même appellation non pour des raisons de structure mais pour leurs
propriétés physiques communes, notamment leur insolubilité dans l’eau. Il faut
souli© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit3051_.book Page 31 Lundi, 23. août 2010 10:21 10
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Biomolécules : structure et propriétés 31
gner que le terme « graisses » désigne seulement les lipides hydrolysables qui
sont des esters de glycérol et d’acides gras.
Les fonctions des lipides dans l’organisme sont multiples :
– molécules de structure : les lipides, seuls ou dans le cadre de molécules
complexes comme les lipoprotéines, entrent dans la structure des
membranes cellulaires (phospholipides, glycolipides, cholestérol) ;
– réserve énergétique : sur le plan quantitatif, les lipides représentent la plus
importante réserve énergétique de l’organisme. L’oxydation des lipides
dans les mitochondries en CO et eau libère une quantité importante d’éner-2
gie emmagasinée sous forme d’ATP ;
– isolant thermique (pour l’organisme et les organes), mécanique et électrique
(des cellules par rapport au milieu extracellulaire). Cette dernière fonction
est extrêmement importante pour le maintien de l’intégrité et de la vie
cellulaires ;
– certaines molécules lipidiques ont des fonctions spéciales, comme les
dérivés du cholestérol et notamment les hormones stéroïdiennes.
4.3.1. Lipides simples
Les lipides simples sont des esters des acides gras avec des alcools dont le
principal est le glycérol.
4.3.1.1. Acides gras
Les acides gras sont des acides organiques aliphatiques monocarboxyliques
saturés ou non, dont le nombre d’atomes de carbone est supérieur à 4 et
généralement pair. Ils se trouvent dans tous les organismes soit sous forme libre (plus
rarement), soit estérifiés (avec le glycérol, le cholestérol, etc.). Les formules
chimiques des principaux acides gras sont données dans la figure 18.
Isomérie cis-trans
Deux molécules isomères possèdent la même formule brute et le(s) même(s)
groupement(s) fonctionnel(s), mais elles présentent une disposition dans l’espace
différente autour d’une double liaison :
– on parle d’isomère cis lorsque les deux substituants identiques sont situés du
même côté de la double liaison ;
– on parle d’isomère trans lorsque les deux substituants sont situés de part et
d’autre de la double liaison.
Comparer, par exemple, les deux formes de l’acide oxalique (que l’on trouve dans
l’oseille, l’épinard, la rhubarbe, le thé, l’amande, le cacao…) :
OO OOH
C C C C
HO OH OH O
cis trans
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