La chimie de la
vie
Un atome est l'élément de
base de la matière. Il est composé d'un noyau (composé de protons et de
neutrons) autour duquel tourne des électrons. Pour
prendre une métaphore, un atome se comporte un peu comme le système solaire, il
y a le noyau représenté par le soleil et les électrons (les planètes) tournant
autour.
Par convention, un proton a une charge électrique positive, l'électron a une charge
électrique négative et le neutron n'a pas de charge, il est neutre.
Une question vient tout de
suite à l'esprit. Si comme les aimants deux charges de signes contraires
s'attirent et deux charges de mêmes signe se repoussent, comment se fait il que
les protons restent collés entre eux dans le noyau ? Voir la réponse au
paragraphe concernant les forces fondamentales.
Les composants de l'atome
(électron, proton et neutron) sont appelés particules.
Pour en revenir à nos
atomes, dans la nature il existe naturellement 104 types d'atomes qui se
différencient par le nombre de protons et d'électrons. Cela va de l'hydrogène
qui a juste un proton avec un électron qui tourne autour, à Kourtchatovium
qui possède 104 électrons et 104 protons.
Isotope
Chaque type d'atome peut
contenir plus ou moins de neutrons. C'est ce qu'on appelle un isotope. Exemple,
l'uranium (U) comporte 92 protons, 92 électrons et plus ou moins de
neutrons ; quand on parle de l'uranium 238 (U238), cela
signifie donc qu'il y a 146 neutrons pour 92 protons dans le noyau (92 + 146 =
238).
Exemples d'isotopes :
U235 = 92 protons
+ 143 neutrons.
U238 = 92 protons + 146 neutrons.
U239 = 92 protons + 147 neutrons.
Les isotopes d'un atome ont
quasiment les mêmes propriétés chimiques et physiques.
Ion
Un ion est un atome qui a
perdu ou gagné des électrons. L'atome se retrouve donc avec plus (ou moins)
d'électrons qu'il n'a de protons.
Un atome qui a perdu un ou
plusieurs électrons et un ion positif puisqu'il se retrouve avec plus de
protons que d'électron.
Un atome qui a gagné un ou
plusieurs électrons et un ion négatif puisqu'il se retrouve avec moins de
protons que d'électron.
Les molécules
Une molécule est un
assemblage d'atomes.
Les molécules les plus
célèbres sont :
-L'eau, H2O,
composée de deux atomes d'hydrogène (H) et d'un atome d'oxygène (O).
- Le sel, NaCl, un atome de sodium (Na) et d'un atome
de chlorure (Cl).
- Et bien sûr l'ADN composée de milliers d'atomes. Bon ! Ne m'en demandez pas
la formule chimique, là je sèche. De toute façon il existe des milliards de
combinaisons possibles pour l'ADN, ce qui fait la spécificité de chaque être
humain (et de tous les organismes vivants).
Les chimistes utilisent un
système d'abréviations pour représenter les
éléments: les symboles chimiques. Par
exemple, le symbole chimique du carbone est C, celui de l'hydrogène, H. On peut
donner la composition d'un composé chimique grâce à
une écriture télégraphique, la formule chimique. C'est une combinaison de symboles chimiques et de nombres dans une
disposition conventionnelle, permettant de qualifier les atomes et de
quantifier leurs proportions relatives dans chacune des molécules d'un composé chimique. Le symbole chimique de l'hydrogène est H et celui de l'oxygène est
O. Or l'eau contient habituellement deux fois plus d'hydrogène que d'oxygène;
la molécule d’eau contient alors deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène
(H20).
Une équation chimique montre comment des substances
chimiques réagissent entre elles pour former des produits. Par exemple,
2H2 + 02 -4 2H20. Le sens de la flèche indique le sens préférentiel de la réaction. Dans cette dernière,
l'eau est formée de deux gaz: l'hydrogène et l'oxygène. Les chimistes
subdivisent traditionnellement la science chimique en deux réalités: la chimie
organique et la chimie inorganique. Les substances
inorganiques (ou minérales) sont relativement simples: le sel, la
rouille, l'eau ou l'amiante. Les composés organiques,
d'un autre côté, peuvent être beaucoup plus complexes que les substances inorganiques les plus compliquées;
ils contiennent tous des atomes de carbone .
II) Les
principaux composés organiques
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Les lipides : Il y a plusieurs sortes de lipides, les principaux groupes étant les glycérides,
les phospholipides et les stéroïdes. Les premières sont probablement les plus
familières. Les
glycérides représentent une série de composés chimiques contenant du
glycérol (mieux connu sous le nom
de glycérine) lié chimiquement à un, deux ou trois acides gras. Ils
peuvent être semblables ou dissemblables,
en général à cause des liaisons carbone-carbone. On
dit qu'un acide gras est insaturé lorsqu'il
contient des liaisons doubles entre les carbones (C = C). Dans le cas contraire, l'acide gras est saturé s'il contient autant d'atomes
d'hydrogène qu'il est possible d'en mettre sur la chaîne:
il est saturé en hydrogène. Les phospholipides sont aussi des
lipides. ils sont aussi formés de glycérol,
ce dernier étant lié à une base qui
contient du phosphore et souvent de l'azote (deux éléments
généralement absents des lipides). Le glycérol est aussi lié à un ou deux
acides gras. Les deux extrémités d'une molécule
de phospholipide sont physiquement et chimiquement différentes. La
base tend à s'associer avec l'eau alors
que l'autre bout tend à être expulsé de l'eau. Le premier bout est hydrophile (qui aime l'eau), le
second, hydrophobe (qui déteste l'eau). La polarité de
ces molécules est responsable de la
configuration qu'elles adoptent dans l'eau: les bouts hydrophobes se rapprochent alors que les bouts hydrophiles font face à l'eau. L'une des façons d'atteindre cette
configuration est la formation de deux rangées de
molécules, la double couche lipidique. Les protéines : On retrouve des protéines un peu partout: à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule et
dans la membrane cellulaire. Elles peuvent se subdiviser
en protéines structurales et
en enzymes. Les premières,
comme le collagène des fibres conjonctives ou la kératine de la peau et des
ongles, participent à la structure physique de l'organisme alors que les
enzymes sont des catalyseurs biologiques de première importance.
Quelques autres protéines, comme l'hémoglobine du sang ou les protéines
contractiles des muscles, n'appartiennent
ni à l'une ni à l'autre de ces catégories. Les protéines sont formées
de quelques dizaines à plusieurs centaines d'acides
aminés liés les uns aux autres.
Un acide aminé ressemble à un acide gras très court contenant un
groupement aminé (NH2), parfois deux. On
retrouve environ vingt acides aminés différents
dans les organismes vivants; La liaison chimique de deux acides aminés (par
exemple entre la glycine et l'alanine) forme un dipeptide. Cette réaction
amène la formation d'une molécule d'eau; les réactions de cette sorte sont
des réactions de déshydratation . Ainsi, des centaines
d'acides aminés peuvent être liés les uns aux autres et donner de longs polypeptides. Ces derniers peuvent, à
leur tour, s'associer à d'autres polypeptides et prendre la configuration
caractéristique d'une protéine complète
et fonctionnelle . Les
enzymes Ce sont des protéines qui
contrôlent les réactions chimiques de la cellule.
La chimie de la vie est en quelque sorte
la chimie des enzymes. La plupart des enzymes sont globulaires. Elles
sont requises dans presque toutes les
fonctions cellulaires ou corporelles et se trouvent presque partout, sous toutes les formes, dans l'organisme. Il est difficilement
concevable qu'à l'intérieur d'une cellule, pourtant de dimension microscopique,
puissent se dérouler autant de réactions
chimiques différentes. On les compte par centaines et même par
milliers dans les fonctions routinières d'une cellule ordinaire. Toutes ces réactions
chimiques sont contrôlées et coordonnées d'une
façon précise, puisqu'à l'instar d'une
chaîne de montage, chaque réaction dépend de la bonne marche de
plusieurs autres. Le montage d'une automobile, par exemple, pourrait être
impossible à compléter sans chacune des pièces, même les plus insignifiantes, qui entrent dans sa
fabrication, que ce soit un
roulement à billes ou un boulon particulier. Il doit donc y avoir une planification élaborée et une synchronisation parfaite
entre le moment où une pièce est requise au montage et sa disponibilité pour
celui qui la pose. La plupart des
transformations chimiques des molécules de
la cellule se font par étapes. Une substance donnée peut subir de 20 à
30 modifications avant d'atteindre une forme donnée. La molécule peut alors entrer dans une autre chaîne de
réactions, être complètement transformée ou même dégradée dans les processus de production d'énergie. Les besoins de
la cellule sont changeants; le système de contrôle
chimique doit être flexible. La clé de ce contrôle se trouve dans les
fonctions des enzymes. Les enzymes constituent
une classe de composés depuis longtemps connue des chimistes:
les catalyseurs. Ils
permettent d'accélérer la vitesse d'une
réaction chimique tout en demeurant inchangés. Les enzymes sont parmi les meilleurs
catalyseurs. Dans de bonnes conditions, certaines
enzymes accélèrent plusieurs centaines voire plusieurs milliers de fois la
vitesse des réactions chimiques. L' anhydrase carbonique, par exemple, est une enzyme. Comme la plupart
d'entre elles, on l'identifie par sa
terminaison en -ase. On la
trouve dans plusieurs tissus ou organes comme
le sang, le rein, le cerveau. Elle accélère la formation d'acide carbonique à. partir du gaz carbonique (produit normal de l'activité cellulaire)
selon la réaction: anhydrase carbonique
gaz eau acide carbonique
carbonique L'enzyme n'est pas
nécessaire à la réaction; cependant, sans elle, la vitesse deviendrait si
faible que la réaction, par le fait même, s'avérerait
inutile à l'organisme. L'enzyme est requise pour que la réaction se fasse à un rythme suffisamment élevé. L'eau et le gaz carbonique
sont les substrats, c'est-à-dire les molécules sur lesquelles l'enzyme agit.
L'acide carbonique est le produit de la réaction. Les scientifiques
ont démontré depuis longtemps que les enzymes
forment des composés chimiques temporaires
avec les substrats. Puis ces composés se défont, libérant les produits
et l'enzyme originale qui peut être réutilisée. Les coenzymes En général,
pour opérer, une enzyme a besoin d'une plus petite molécule, non protéique,
une coenzyme. La coenzyme
fait partie de l'enzyme et la fraction protéique de l'enzyme est l'apoenzyme. L'union de l'apoenzyme et de la coenzyme permet l'activité de l'enzyme. Plusieurs enzymes requièrent des coenzymes
qui sont membres de la famille des vitamines B, si importantes dans la
nutrition. C'est apparemment la raison pour laquelle ces
vitamines sont indispensables à la santé. Une carence en vitamine B provoque
rapidement de multiples déficiences enzymatiques pouvant
entraîner la mort. Les conditions enzymatiques optimales L'activité enzymatique est aussi influencée par d'autres agents, soit la force
ionique, la température ou l'acidité de la
solution. En général, les enzymes ont une
activité maximale lorsqu'elles sont dans des conditions optimales. Ces dernières sont définies par des valeurs précises
de plusieurs paramètres du milieu: par exemple, l'élévation de la
température augmente l'activité d'une
enzyme jusqu'au point où celle-ci est dénaturée (perd irréversiblement sa conformation spécifique) par la chaleur; c'est le processus que subit le blanc d'oeuf
lorsqu'il cuit. A partir de là, l'activité enzymatique diminue brusquement. LES GLUCIDES L'amidon, les sucres, la
cellulose, le glycogène et quelques
composés moins connus comme les mucopolysaccharides
sont des glucides; ils forment la réserve énergétique de la majorité des
cellules. L'utilisation d'un sucre simple à six carbones, le glucose par
exemple, permet l’étude de l'architecture de base des glucides. Les sucres
simples La molécule de glucose contient 6 atomes de carbone, 12 d'hydrogène
et 6 d'oxygène: C6H12O6 selon l'écriture
conventionnelle en chimie. Ces proportions (une molécule d'eau par atome de carbone, dans le glucose) trompèrent les chimistes qui crurent
que tous les glucides étaient formés d'une
combinaison de carbone et d'eau, d'où le nom d'«hydrates de carbone».
Le terme est resté en anglais (carbohydrates)
malgré la grande diversité de composition de ces
molécules. En français on utilise le terme glucide beaucoup plus général et plus approprié pour représenter
cette classe de produits chimiques. La famille des sucres à six carbones sont des hexoses. Quelques sucres à cinq
carbones, les pentoses, ont aussi une importance biologique, comme un ou
deux sucres à sept carbones. Ces sucres simples
sont tous des monosaccharides, littéralement, un sucre unique. Les
disaccharides et les polysaccharides Il est possible de réunir des
monosaccharides en longues chaînes,
à peu près comme les acides aminés
dans les protéines, par des réactions de déshydratation (enlèvement
d'une molécule d'eau). La dégradation de longues chaînes de glucides par la
digestion représente le processus inverse, soit
l'addition d'eau qui reforme des molécules individualisées des sucres simples: c'est l'hydrolyse. La réunion de deux
hexoses forme un disaccharide. Le sucre de table,
le sucrose, en est un exemple. Une chaîne de quelques unités est un oligosaccharide,
alors qu'une longue chaîne, comme l'amidon ou la cellulose, est un polysaccharide.
Les nombreux oligosaccharides et polysaccharides
diffèrent les uns des autres par les hexoses
qui les composent, la longueur de leurs chaînes, le genre de
ramifications qu'ils possèdent ou encore par le type de liaisons reliant
leurs unités. Malgré
la grande diversité de glucides ,les cellules de
l’organisme ne peuvent utiliser que peu de sucres simples. Le plus important
au menu cellulaire est le glucose. Les sucres complexes sont en général
réduits en monosaccharides par la digestion avant même d’être absorbés vers
le courant sanguin par la muqueuse intestinale. Alors seulement sont-ils
distribués aux cellules par l’appareil circulatoire. Les cellules des
muscles, du foie,et
certains globules blancs, peuvent faire des réserves de glucose en vue d’une
utilisation future ou d’une éventuelle libération dans le sang lorsqu’il est
requis par l’organisme. Cet entreposage se fait grâce à la reconstitution
cellulaire de chaînes de glucose , le glycogène
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DES DEFINITIONS
VO2 max : débit maximal d'O2 qu'un sujet peut consommer au cours
d'un effort . Il est mesuré en L/mn ou ml/mn/kg
P.M.A. Puissance Maximale Aérobie .
C'est la puissance correspondant à un effort à 100 % du VO2
max . Elle est mesurée en Watts .
V.M.A. Vitesse Maximale Aérobie .
C'est la vitesse de déplacement du sujet correspondant à 100 % du VO2 max. . Elle est mesurée en km/h . "La vitesse maximale aérobie est l'intensité de
travail que l'on développe au cours d'un effort dont la dépense énergétique
correspond à la consommation d'oxygène maximale ou puissance maximale aérobie
ENDURANCE
AEROBIE : durée pendant
laquelle un sujet peut soutenir un effort sollicitant un % le plus élevé
possible du VO2 max.
L’endurance est la capacité
de maintenir longtemps un pourcentage élevé de sa Puissance Maximale Aérobie.
SEUIL AEROBIE : fin du travail aérobie strict. Production d'environ 2
mmoles de lactates/l de sang .
Au-dessous de ce seuil, la sollicitation est insuffisante sauf s'il s'agit
d'une reprise de l’entraînement . Correspond en
moyenne à environ 70 % du VO2 max.
SEUIL ANAEROBIE
: limite acceptable de
l'acidose pour réaliser un travail anaérobie continu ( 4
mmoles / l). A partir de ce seuil il faut travailler
par intervalles . Correspond en moyenne à environ 80 %
du VO2 max. .
CAPACITE AEROBIE
: elle se développe à des
vitesses de travail situées à mi-chemin entre les seuils aérobie et anaérobie ( 75 % en moyenne )
La capacité
aérobie : Elle représente
la capacité de l’organisme à soutenir un pourcentage donné de VO2max pendant une période prolongée. L’énergie est
principalement assurée par les processus aérobies, l’acide lactique produit
étant rapidement métabolisé dans le foie, le coeur,
les muscles actifs ou inactifs. Selon qu’on se situe au niveau supérieur ou
inférieur de la capacité aérobie, les substrats utilisés seront
préférentiellement les lipides ou les glucides. Le niveau supérieur de la
capacité aérobie est nommé seuil anaérobie. Il peut être défini comme le niveau
maximal d’intensité de travail pour lequel il n’y a pas accumulation d’acide
lactique.
La puissance aérobie : L’énergie provient des processus aérobies et anaérobies.
De ce fait la durée de l’exercice est limitée (acidose, chute du taux de
glycogène).Le niveau supérieur de la puissance aérobie constitue la puissance
maximale aérobie à laquelle correspond la consommation maximale d’oxygène (VO2max).
Métabolismes :
à dominante
anaérobie alactique : de 0 à 20 secondes, donc du 60 au 200 m (niveau
mondial) comprenant les épreuves de haies jusqu'aux 110 m haies. La dette
d'oxygène est modérée, elle a une part importante de dette alactique
qui est compensée rapidement.
à dominant
anaérobie lactique : de
20" à 1'30 voir 2 minutes de durée, comprend les courses de 200 à 800 m
sans oublier le 400 m haies. La dette d'O2 est maximale, la dette lactique se
compense lentement.
à dominante
aérobie :
avec dette d'oxygène
importante : du 1000 au 3000
m steeple. La dette d'O2 relativement importante sera longue à compenser. ces épreuves pour lesquelles l'énergie est fourni à environ
80% par les processus aérobiques, réclament encore un
haut niveau de fonctionnement anaérobie.
avec dette d'O2
limitée : du 5000 au 10000 m. Les
processus de restauration des sources énergétiques sont longues a revenir à
leur niveau. La récupération nécessaires entre 2
épreuves n'est pas ici le fait d'une dette d'oxygène élevée.
avec dette d'O2
quasiment nulle : Epreuves de
longue durée au delà du 10 km qui réclament surtout des qualités fondamentales
d'endurance.
Puissance : les exercices de Puissance qui visent à
augmenter l'intensité de l'effort fourniront l'énergie par l'utilisation rapide
d'une grande quantité d'A.T.P. Ces phénomènes se situent essentiellement au
niveau cellulaire.
Capacité : les exercices de Capacité (résistance
organique à l'effort) viseront à développer les mécanismes qui permettront de
synthétiser l'A.T.P pendant une période plus ou moins
longue.
Anaérobie alactique : délai d'intervention 0"
Puissance : intensité maximale de 0 à 7 " --> vitesse
Capacité : résistance de 7 à 15" --> résistance
vitesse
Anaérobie
lactique : délai
d'intervention 15"
Puissance : intensité maximale de 15 à 45" --> Résistance
Intensité
Capacité : résistance - de45" à 2
minutes --> Résistance Intensité
Aérobie : délai d'intervention 2 minutes
Puissance : Intensité maximale - 2' à 6' --> Résistance
volume
Capacité : résistance - 6' à quelques heures --> Endurance