PRE-RENTREE 2014 SEMESTRE 1

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1 PREMIERE ANNEE COMMUNE AUX ETUDES DE SANTE UNIVERSITE D ANGERS PRE-RENTREE 2014 SEMESTRE 1 POLYCOPIE MORGAN ZENATRI (COMA), MATTHIEU BARNAULT (ACEPA), ISABELLE CHIRON (AESFA) VICE-PRESIDENTS EN CHARGE DU TUTORAT CONTACT : TUTORAT@ASSOCOMA.FR 1

2 Bonjour à tous, J'espère que vous avez profité de vos vacances, maintenant c'est (presque) l'heure de la PACES... En attendant, la CoMA (Corporation Médecine d'angers), l'acepa (Corporation des Etudiants en Pharmacie d'angers) et l'aesfa (Association Etudiants Sage-Femme d'angers) vous proposent ce stage de pré-rentrée. Le monde universitaire, et surtout la PACES, sont très différents du monde lycéen. Le niveau des cours, la pédagogie, les moyens utilisés, l'ambiance, les méthodes de travail, tout est différent! Le but principal du stage est donc de vous habituer à ce nouveau monde, mais en douceur. Les groupes sont d'environ 40 étudiants (au lieu de ), les cours visent les notions théoriques de base pour attaquer le premier semestre et les tuteurs seront là pour répondre à toutes les questions. Ainsi, vous pourrez attaquer le semestre avec des bases solides, et moins ressentir la "marche" entre le lycée et la faculté. Concrètement, vous aurez 20h de cours entre le 25 août et le 6 septembre, répartis sur 5 demijournées. Les emplois du temps ont été envoyés par mail. Le stage se termine le samedi 6 septembre par un mini-concours classant d'environ 1h30. Le but de ce samedi n'est pas de vous classer, mais de vous habituer à l'ambiance "concours", à répondre aux QCM, et à réfléchir (très) vite. Les résultats, et le classement vous seront transmis très rapidement. A la fin de ces deux semaines de travail, nous vous proposerons un goûter post-pré-rentrée, histoire pour vous de rencontrer d'autres PACES, de rencontrer les tuteurs, de poser vos questions, de parler... C'est gratuit et vous êtes tous conviés. :) NB : Le stage de pré-rentrée du second semestre se déroulera pendant vos 3 semaines de vacances. BON STAGE A TOI!! 2

3 - Chapitr UE 1 Chimie générale e 1 : Définitions fondamentales I- Les 1 - Le différents s é ta de états la de mala tièmatière r e e t le s : c h a ng e me nts d'é ta t 2 - Unité de q u a ntité de ma tiè r e : la notion de mole Les deux niveaux de la chimie II- Les atomes : La constante d'avogadro ( ) Définition : L atome est la plus petite N A = 6,022045(31).10 partie d un élément qui possède encore une propriété 23 mol -1 physique et chimique de cet élément La mole Définition Fondamental La mole est la quantité de matière qui contient autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de l'isotope 12 du carbone Généralisation Nb : Z est aussi le numéro de la case de la classification 2 périodique où se situe l élément. À noter également que l on a aussi la charge en haut à droite de l élément et le nombre d atomes 3

4 présent en bas à droite Les isotopes : Ils ont le même numéro atomique (Z) mais possèdent un nombre de masse différent (A). La différence se trouve au niveau du nombre de neutrons Exemple de l Hydrogène : il possède 3 isotopes : 1 1H avec A=1 et Z=1 hydrogène 2 1H avec A=2 et Z=1 deutérium 3 1H avec A=3 et Z=1 tritium III- Le tableau périodique des éléments : La classification actuelle comprend 109 éléments dont 103 sont parfaitement connus. Ils sont répartis en 7 périodes et 18 colonnes. Les éléments d une colonne possèdent des propriétés chimiques voisines. Le tableau périodique est divisé en 4 parties qui correspondent aux différentes sous couches : - La sous-couche S (colonnes 1 et 2) - La sous-couche D (colonnes 3 à 12) - La sous-couche P (colonnes 13 à 18) - La sous-couche F (colonnes du dessous) Les sous-couches sont remplie en fonction de la configuration électronique de l élément. Les électrons occupent les sous niveaux selon les valeurs croissantes de l énergie. 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f L ordre dans lequel on remplit: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 4

5 6s 6p 6d 7s La sous-couche s peut accueillir 2 électrons, la p 6 électrons, la d 10 électrons et la f 14 électrons 1. Les colonnes : - Colonne 1 : les métaux alcalins : les ions portent une charge + (Ex : H +, K + ) - Colonne 2 : les alcalino-terreux : les ions portent 2 charges + (Ex : Mg 2+, Ca 2+ ) - Colonne 16 : les chalcogènes : les ions portent 2 charges (Ex : O 2-, S 2- ) - Colonne 17 : les halogènes : les ions portent une charge (Ex : Cl -, I - ) - Colonne 18 : les gaz rares ou nobles : toutes leurs sous-couches sont saturées. 5

6 2. Classification en métaux, non métaux et semi-métaux. - Les métaux : Éclats métalliques, conduisent la chaleur et l électricité et ont un état d oxydation positif. - Les non métaux : Pas d éclats métalliques, pas de conduction et ont un état d oxydation positif ou négatif. - Les semi-métaux : propriétés des deux. 3. Calcul de la masse molaire (MM) d un élément à partir du tableau périodique : Exemple du glucose C6H12O6 La masse du glucose = (6*12) + (12*1) + (6*16) = 180 g/mol 4. Calcul de la masse à partir de la masse molaire et du nombre de moles. n = nombre de moles m = masse de la molécule MM = masse molaire de la molécule n = m MM 6

7 IV- Les liaisons moléculaires : d'autoprolyse de l'eau K e K e = [H 3O + ] * [OH - ] = [ H 3O + ] = [OH - ] = 10-7 mol.l -1 d'où ph = - log [H 3O + ] = - log 10-7 = 7 Donc, une solution d'eau pure a un ph de 7. Si le ph est inférieur à 7, la concentration en H 3O + est supérieure à 10-7 mol.l -1 et la solution est acide. Si le ph est supérieur à 7, la concentration en H 3O + est inférieure à 10-7 mol.l -1 et la solution est basique. Une liaison moléculaire est d autant plus forte que l énergie à fournir pour la rompre est élevée. 4 types de liaisons : - Les liaisons Van der Waals - Les liaisons Hydrogènes - Les liaisons Covalentes - Les liaisons hydrophobes solution acide 0 H 3 O + 7 OH - 14 solution neutre solution basique ph V- Le ph des solutions aqueuses (Chimie Analytique) : Soit AH + H2O A - + H3O + Le ph est défini par : ph = - log [H3O + ] [ Base] [ Acide] ph = pka + log base forte, a totalement réagi, donc n'existe plus en tant que tel dans l'eau. Cette réaction produit C 2 H 5 OH, d'éthanol, acide "conjuguée" de C 2 H 5 O -, mais cet acide est tellement faible dans le solvant EAU qu'il n'a plus iétés acido-basiques. Avec pka = - log Ka et Ka = C 2 H 5 O -, base forte, a totalement réagi, donc n'existe plus en tant que tel dans l'eau. Cette réac Base H 3 Acide - ac. nitrique HNO 3 / NO 3 Liste des acides forts à connaître 2- : ac. sulfurique H 2 SO 4 / SO 4 Liste des bases fortes à connaître : O molécule d'éthanol, acide "conjuguée" de C 2 H 5 O -, mais cet acide est tellement faible dans le solva de propriétés acido-basiques. Fondamental : Acides forts à connaître ac. perchlorique HClO 4 / ClO 4 - Sabine Mallet ion nitrate Fondamental : Acides forts à connaître ion sulfate ac. nitrique HNO 3 / NO 3 - ion perchlorate ac. sulfurique H 2 SO 4 / SO 4 2- ac. chlorhydrique HCl / Cl - ion chlorure ac. perchlorique HClO 4 / ClO 4 - ac. bromhydrique HBr / Br - ion bromure ion nitrate ion sulfate ion perchlorate ac. chlorhydrique HCl / Cl - ion chlorure ac. iodhydrique HI / I - ion iodure Fondamental : Bases fortes à connaître base_forte1 ac. bromhydrique HBr / Br - ion bromure ac. iodhydrique HI / I - ion iodure Fondamental : Bases fortes à connaître base_forte1 13 B-1 Phénomènes acide base en solution aqueuse B-1 Phénomènes acide ba Ces Liste réactions des Formules sont à connaître des réactions PAR CŒUR de dissociation : d'électrolytes dans l'eau : ce ne sont pas des réactions de transfert de protons. Mais elles produisent des ions OH -, base la plus forte dans le solvant Acide faible : ph = ½ (pka - log C0) EAU. 7-2 Acides faibles et bases faibles Ces réactions sont des réactions de dissociation d'électrolytes dans l'eau : réactions de transfert de protons. Mais elles produisent des ions OH -, base la plus EAU. en solution de ces espèces correspond à une réaction partielle sur l'h 2 O, réaction équilibrée donc

8 Acide fort : ph = - log C0 Base faible : ph = ½ (pka + pke + log C0) Base forte : ph = pke + log C0 Solution amphotère : ph = ½ (pka1 + pka2) Avec pke = 14 à 25 C 8

9 Exercices de chimie générale et chimie analytique Exercice 1 : La matière : Répondre par vrai ou faux a- La matière rassemble les corps purs et les mélanges. b- Un corps pur homogène est composé d une phase. c- Un mélange hétérogène est composé de plusieurs phases. d- Un corps pur simple peut être composé de plusieurs éléments. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux : a- Le passage de solide à gazeux s appelle sublimation. b- Le passage de gazeux à solide est la solidification. c- Le phénomène de fusion permet de passer de liquide à gazeux. d- La liquéfaction permet de passer de solide à liquide. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Exercice 2 : Les atomes : Répondre par vrai ou faux : a- Le nombre de masse correspond au nombre de nucléons. b- A = protons + neutrons c- Z est le nombre d électrons. d- Z est le nombre de protons. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux : a- L atome est la plus petite partie d un élément qui ne possède plus que les propriétés physiques de cet élément. b- Z correspond au numéro de la case de la classification périodique où se situé l élément. c- Dans la représentation de l atome, la charge est en haut à gauche de l élément. d- Le nombre de masse correspond au nombre de protons ajouté au nombre d électrons. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Enoncé : 12 6C. 14 6C. 16 8O. 17 8O a- 12 C et 14 C sont des isotopes. b- Dans 12 6C : 6 est le nombre de protons et d électrons. c- Dans 16 8O : 16 est le nombre atomique. d- Dans 17 8O : 8 est le nombre de masse. e- Dans 16 8O : il y a 8 neutrons. 9

10 Exercice 3 : Le tableau périodique des éléments : Répondre par vrai ou faux : a- La classification actuelle comprend 109 éléments parfaitement connus. b- Les éléments sont répartis dans le tableau périodique en 7 colonnes et 18 périodes. c- Les éléments d une colonne possèdent des propriétés chimiques voisines. d- Le tableau périodique est divisé en 4 sous-couches. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux : a- La sous-couche s peut accueillir 2 électrons. b- La sous-couche d peut accueillir 5 électrons. c- La sous-couche p peut accueillir 10 électrons. d- La sous-couche p peut accueillir 14 électrons. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux : a- La configuration électronique de 26 Fe est : 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 2, 3d 6 b- La configuration électronique de 26 Fe est : 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 3d 6, 4s 2 c- La configuration électronique de 20 Ca est : 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 3d 2 d- La configuration électronique de 12 Mg est : 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2 e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte Répondre par vrai ou faux : a- Les 4 sous-couches du tableau périodiques sont les sous-couches S, D, P et F. b- La sous-couche S correspond à la période 1 et la période 2. c- La sous-couche P est composée de 6 colonnes. d- La sous-couche F est collée à la sous-couche S dans le tableau. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux : a- Les non métaux ont un état d oxydation exclusivement négatif. b- Les métaux ont un état d oxydation exclusivement positif. c- Les semi métaux conduisent la chaleur. d- Les métaux conduisent l électricité. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Exercice 4 : Masse molaire : L urée a pour formule CH 4N 2O. Masses atomiques : C (12,0) ; H (1,00) ; N (14,0) ; O (16,0). Quelle est la masse molaire de l urée? Sélectionner la ou les bonne(s) réponse(s). a- 43 g/mol b- 96 c- 60 g/mol d- 60 e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte 10

11 Exercice 5 : Chimie analytique : Répondre par vrai ou faux : a- Les solutions acides ont un ph < 7. b- Les solutions basiques ont un ph < 7. c- Le ph est défini par ph = log [H 3O + ] d- Le ph est défini par ph = pka + log [acide] [base] e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux a- NaOH et KOH sont des acides forts. b- La potasse et la soude sont des bases fortes. c- L acide perchlorique est un acide fort. d- HCN (cyanure d hydrogène) est un acide fort. e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. Répondre par vrai ou faux a- OH - a un ph basique. b- H 3O + a un ph acide. c- pka = - log Ka d- Ka = [base].[h3o+ ] [acide] e- Aucune des réponses précédentes n'est exacte. 11

12 UE 1 Chimie organique I- Présentation générale : Le carbone est l élément fondamental de la chimie organique. Il fait 4 liaisons avec ses substituants, on dit qu il est tétravalent. Lorsque ses 4 substituants sont différents, on parle de carbone asymétrique et on le symbolise de cette façon : C*. Exemple : H F Cl OH Le carbone est qualifié de : - quaternaire s il ne porte aucun atome d hydrogène ; - tertiaire s il porte un seul hydrogène ; - secondaire s il porte 2 hydrogènes ; - primaire s il porte 3 hydrogènes. 1. L hybridation du carbone : Le carbone possède différents états d hybridation (cf cours de Chimie Générale) : - sp 3 : le carbone n est lié à ses substituants que par des liaisons simples appelées liaisons σ (sigma). Comme le carbone est tétravalent, on aura quatre liaisons de type σ. OH CH 3 NH Exemple : H 2 - sp 2 : le carbone est lié à ses substituants par deux liaisons simples σ et une liaison double appelée π (pi). Une liaison double = 1σ + 1π. Exemple : O H 2 N CH 3 - sp : o soit le carbone est lié par deux doubles liaisons (= 2π + 2σ) ; o soit le carbone est lié par une liaison triple (= 1σ + 2π) et une liaison simple σ ce qui fait au total 2σ + 2π. 12

13 Exemples : HC CH 2. Les hydrocarbures : Un hydrocarbure est une molécule composée uniquement de carbone et d hydrogène. On parle d hydrocarbure saturé lorsqu il n y a que des simples liaisons. L hydrocarbure s appelle alors un alcane. On parle d hydrocarbure insaturé s il y a une ou plusieurs doubles liaisons dans la molécule (= alcène) ou des triples liaisons (= alcynes). II- Représentation spatiale : 1. Plane - Formule développée : elle précise la nature des atomes et des liaisons. Elle a un défaut : elle est lourde à manier pour les grosses molécules. Exemple : - Représentation de Lewis Exemple : - Formule semi-développée Exemple : - Représentation simplifiée des cycles Exemple : 13

14 - Représentation simplifiée : si on ne représente rien, cela veut dire que les substituants sont des atomes d hydrogènes. Les sommets représentent des molécules de carbone. Exemple : Remarque : Problème des formules planes : La représentation ne fait pas la distinction entre deux molécules qui ont les mêmes substituants mais qui ne sont pas les mêmes pour autant. 2. Dans l espace : - Représentation en coin volant ou de Cram : o Traits simples = ce qui est dans le plan ; o Traits pointillés = ce qui est vers l arrière du plan ; o Traits grossis = ce qui est vers l avant du plan. Exemple : - Projection de Newman : pour représenter les grosses molécules cette projection n est pas pratique. Exemple : - Projection de Fischer : - Traits horizontaux = ce qui est vers l avant - Traits verticaux = ce qui est dans le plan ou en arrière - On représente la chaîne carbonée verticalement. La fonction la plus oxydée est en haut (dans 14

15 l exemple suivant, la fonction aldéhyde est plus oxydée que la fonction alcool). Exemple : III- Nomenclature : Notion de fonction : c est un enchaînement d atomes qui confère à toute molécule portant la même fonction des propriétés (chimiques) identiques. On peut nommer les molécules selon leur origine (ex : acide formique HCO 2H, menthol ). Mais la nomenclature officielle (IUPAC) définit chaque molécule de manière univoque. Cependant, elle est inutilisable pour les grosses molécules. 15

16 Ordre de priorité des principales fonctions Suffixes et préfixes correspondants Nom générique Formule Suffixe Préfixe Acide carboxylique Acide alcanoïque Carboxy- Anhydride Anhydride alcanoïque Acyloxy- Ester Alcanoate d alkyle Alkyloxycarbonyle- Halogénure d acyle Halogénure d alcanoyle Halogénoformyle- Amide Alcanamide Alcanamido- Nitrile Alcannitrile Cyano- Aldéhyde -al Formyle-* Cétone -one Oxo-* Alcools et phénols -ol Hydroxy- Thiols -thiol Mercapto- Amines Alkylamine N-alkylamine N,N-dialkylamine Amino- N-alkylamino N,N-dialkylamino Ethers-oxydes Ether Alkoxy- Halogénoalcanes R-X - Halogéno- * Le suffixe formyl utilisé pour les aldéhydes contient, en soi, le carbone fonctionnel, qui ne fait pas partie 16

17 de la chaîne principale. En outre, le préfixe oxo, utilisé pour les cétones, ne comptabilise pas le carbone fonctionnel, qui est alors compté dans la chaîne. 1. Principe pour nommer les molécules : 1 ère étape : identifier la fonction principale (FP) si la molécule est monofonctionnelle : la seule fonction est la FP. On met donc la nomenclature en suffixe. si molécule polyfonctionnelle : la FP est la fonction la plus oxydée. La dénomination de cette fonction se fait alors en suffixe et les autres fonctions auront une dénomination en préfixe. 2 ème étape : identifier la chaîne principale (CP) Elle doit comporter la fonction principale. Si l on a une molécule polyfonctionnelle ramifiée, la CP est celle qui porte le plus de fonctions. 3 ème étape : appliquer à la CP la nomenclature de la FP Exemple : Ici la fonction principale est la fonction aldéhyde donc le suffixe est al et la CP comporte quatre carbones donc le préfixe est but-. On met à la FP le plus petit numéro. La molécule s appelle donc le butan-1-al (= butanal). 4 ème étape : Nommer le reste de la molécule - Nomenclature en préfixe - Classement alphabétique. 2. A propos des alcools Un carbone portant un hydroxyle et trois autres substituants qui ne sont pas des hydrogènes est appelé alcool tertiaire. Un carbone portant un hydroxyle, un hydrogène et deux autres substituants est appelé alcool secondaire. Un carbone portant un hydroxyle, deux hydrogènes et un autre substituant est appelé un alcool primaire. RQ : On peut nommer les amines de la même manière selon de nombre d hydrogènes que l azote porte. IV- Configuration absolue des carbones asymétriques : Configuration absolue : orientation des substituants des C* et leur positionnement dans l espace. 1. Règles de Cahn, Ingold et Prélog Règle n 1 : préséance au plus fort n atomique (ou à l isotope le plus lourd) I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H T(tritium)>D(deutérium)>H(hydrogène) 17

18 Règle n 2 : Départager en examinant les substituants de rang suivant. Comparaison terme à terme en s arrêtant à la première différence. Attention!!! La taille du groupement n a pas d importance. Attention!!! Pas de somme de numéros atomiques. Règle n 3 : une liaison multiple = plusieurs liaisons simples. 2. Molécule chirale : C est une molécule optiquement active (= qui dévie la lumière polarisée). Elle n a ni plan, ni centre de symétrie et c est une molécule non superposable à son image dans un miroir. 3. Énantiomères : Se dit de deux molécules dont les carbones asymétriques ont des substituants identiques mais des configurations absolues différentes. Les énantiomères ont : - les mêmes propriétés physiques - les «mêmes propriétés chimiques» avec des réactifs non chiraux Les énantiomères ont un pouvoir rotatoire différent : signe opposé mais même valeur absolue. Un pouvoir rotatoire positif signifie que la molécule est l énantiomère dextrogyre et dévie la lumière polarisée vers la droite. Un pouvoir rotatoire négatif signifie que la molécule est l énantiomère lévogyre et dévie la lumière polarisée vers la gauche. Les énantiomères réagissent différemment lors d interaction avec des espèces chirales. 4. Comment nommer les énantiomères? Il faut définir la configuration absolue du carbone asymétrique. Il faut examiner les quatre substituants du C* et les numéroter selon les règles de Cahn, Ingold et Prélog. R (rectus) : sens de rotation dans le sens des aiguilles d une montre. S (sinister) : sens de rotation dans le sens inverse des aiguilles d une montre. 18

19 Exemple : Le substituant avec le plus petit numéro doit être au fond du plan (à l arrière). Attention!!! Il n y a aucune relation entre configuration absolue (R ou S) et pouvoir rotatoire (lévogyre ou dextrogyre). 5. Diastéréoisomères : Stéréo-isomères qui ne sont pas énantiomères (pas images dans un miroir). Donc ils comportent plus d un centre de symétrie. 1R, 2R 1S, 2S 1R, 2S Enantiomères (inversion de toutes les configurations) 1S, 2R Diastéréoisomères (inversion de certaines configurations) 6. Mélange racémique : Mélange de deux énantiomères en quantité équimolaire (le lévogyre et le dextrogyre). Un mélange racémique est inactif sur la lumière polarisée par compensation. 19

20 Exercices de chimie organique Exercice 1 : Hybridation du carbone et hydrocarbures - Donner les différents états d hybridations des carbones en rouge dans les molécules suivantes : CH 3OH, Cl-CH 2-CHOH, OH-CH=CH 2, CH CH, HOOC-CHOH-CH 2-NH 2. - Identifier les carbones selon qu ils soient quaternaires, tertiaires, secondaires ou primaires. - Une ou plusieurs des molécules présente(nt)-elle(s) un carbone asymétrique? Si oui, la (les)quelle(s). - Définir ce qu est un hydrocarbure. Les molécules présentées ci-dessus en sont-elles? Si oui, la (les) définir. Exercice 2 : Représentation des molécules - Dans quelle représentation est présentée la molécule? - Donner sa formule développée et semi- développée. - Soit la molécule suivante : CHO-CHOH-CH 2OH. Quelles sont les fonctions organiques présentes dans la molécule? Laquelle est la plus oxydée? Donner la représentation de Fisher de cette molécule. - Quelle est le nom de cette représentation? Quels sont les atomes en arrière du plan? - Représenter la molécule ci-dessus selon Newman. - 20

21 Exercice 3 : Nomenclature - Déterminer la structure des molécules suivantes. o o o o Acide-2-amino propanoïque Acide hexanoïque 5-méthyl-hex-1-én-3-ol Acide-4-hydroxy-2-oxo-pentanoïque - Déterminer la nomenclature des composés suivants. Exercice 4 : - Donner le nom de la molécule suivante. - Cette molécule est-elle active sur la lumière polarisée? Si oui, donner le ou les carbones asymétriques et déterminer la ou leur configuration. - Donner l énantiomère de la molécule. 21

22 Exercice 5 : Concernant la molécule suivante : - La fonction 1 est : o o o o o Un acide carboxylique Un éther Une cétone Un ester Un aldéhyde - La fonction 2 est : o o o o o un thiol un amide une amine primaire un éther un nitrile - La fonction 3 est : o o o o o Un anhydride Un acide carboxylique Une cétone Un ester Un amide 22

23 Biochimie Biologie Moléculaire 1.SEANCE 1 : Biochimie (1) Introduction de l UE1 Biochimie structurale Description de l architecture globale des 5 types de molécules du vivant 2.SEANCE 2 : Biologie moléculaire (1) Schéma général de biologie moléculaire Structure des acides nucléiques et de la molécule d ADN Les molécules d ARN Les différences avec l ADN Les différents ARN et leurs rôles dans la traduction 3.SEANCE 3 : Biochimie (2) Bioénergétique Réactions et couplages Biochimie métabolique Anabolisme / Catabolisme Voies métaboliques et régulations 4.SEANCE 4 : Biologie moléculaire (2) + Correction des Exercices La réplication Les polymérases, les différentes étapes Exercices d application des 3 cours (à préparer chez vous) 23

24 SEANCE 1 : Biochimie (1) Cette année, l enseignement de biochimie débutera en novembre et se déroulera en deux temps : Une approche structurale : on étudie de façon statique l architecture des biomolécules qui composent les organismes vivants. Une approche métabolique : on étudie la dynamique de ces molécules et les différentes réactions chimiques qui les font interagir. (rôle de synthèse et de production énergétique) Pour son fonctionnement un organisme vivant va : Ingérer des polymères macromoléculaires (=nourriture) Les fragmenter en petits monomères durant la digestion grâce à des enzymes Absorber ces petits monomères au niveau intestinal Synthétiser, à partir de ces monomères, ses propres macromolécules pour son fonctionnement Polymère Monomère Liaison Exemples Glucide Ose Osidique Glycogène, amidon Protéine Acide aminé Peptidique Enzyme, collagène Lipide COMPLIQUE Ether, Ester, amide Stéroïdes, triglycérides Acide nucléique Nucléotide Phosphodiester ADN, ARN, ATP 24

25 LA BIOCHIMIE STRUCTURALE : Etude des 5 catégories de biomolécules 5.Les protéines Les protéines sont des polymères issus de l assemblage d unités monomériques : les acides aminés. A. Les acides aminés (AA) Un acide aminé dispose d une architecture stéréotypé. Il comporte toujours : Une fonction acide carboxylique (COOH) Une fonction amine (NH2) Un carbone alpha (C) Un groupement R variable Ce groupement R, porté par le carbone alpha va conférer les propriétés physicochimiques singulières de l AA. (Absorption lumineuse, hydrophobicité, réactivité, possibles liaisons ) Il existe 22 groupements R différents, donc 22 AA différents. ex : Le groupement R de la phénylalanine comporte un cycle benzénique, c est donc un AA plutôt hydrophobe B. Les protéines L assemblage d AA va se faire via des liaisons peptidiques, donnant ainsi des protéines. Cette réaction de polymérisation se fait pendant la traduction. (cf cours de biomol) Il s agit d une succession de réactions de déshydratation qui vont engendrer des liaisons de type amide entre le carboxyle d un AA et l amine d un autre AA. Les AA qui composent la protéine vont lui conférer ses propriétés physico-chimiques et conditionner son repliement (grâce à leurs groupements R). C est la structure tridimensionnelle de la protéine qui va lui attribuer sa fonction biologique. Ex : la structure 3D des anticorps leur permet de se fixer à un antigène spécifique avec beaucoup d affinité. 25

26 6.Les acides nucléiques Les acides nucléiques sont les composants principaux de l ADN, mais pas seulement! (ATP, AMPc, ) Ils seront étudiés plus en détail dans le cours de biologie moléculaire. Les acides nucléiques sont des polymères issus de l assemblage d unités monomériques : les nucléotides. A. Les nucléotides Ces nucléotides sont composés de 3 éléments stéréotypés : 1 phosphate 1 ribose (oxy ou déoxy ribose) 1 base azotée (A,C,T,G,U) Le nom des liaisons sont à connaître Liaison N-glycosidique entre le ribose et base azoté Liaison ester entre le phosphate et le ribose B. Les acides nucléiques L assemblage de nucléotides va se faire via des liaisons phosphodiester, pouvant former des chaines d ARN (simple brin) ou d ADN (double brin stabilisés par des liaisons hydrogènes). Cette réaction de polymérisation est catalysé par des polymérases durant la transcription, la réplication, (cf cours de biomol) La séquence de bases azotées qui compose les chaines de polymères de nucléotides va conférer un «message» à la molécule d ADN. (L information génétique) La molécule d ADN s enroule en double hélice. 26

27 7.Les glucides Les glucides (ou oside, ou saccharides) sont formés de l assemblage d unités monomériques : les oses. Mais c est plus compliqué A. Les oses Ce sont des hydrates de carbone (formule C [H O] ) qui vont être n 2 n classés en fonction de leur nombre d atomes de carbone. Exemple : Glucose B. Les osides OSE Triose Tetrose Pentose Hexose Ribose Glucose Fructose Mannose Ils peuvent être composés uniquement de l assemblage de molécules d oses par des liaisons osidiques (holosides), ou être associés à d autres types de biomolécules comme des lipides ou les protéines (hétérosides). Les holosides peuvent avoir une structure branchée (ce qui n était pas le cas des protéines ou des acides aminés). Cette chaine peut être longue (polysaccharide) ou courte (oligosaccharide) comme les disaccharides : Glucose + Galactose => Lactose Glucose + Fructose => Saccharose Glucose + Glucose => Maltose OSIDE Le glycogène ou l amidon sont des macromolécules constituées de l assemblage de molécules de glucose. (Sous forme de chaines ramifiées) Leur différence vient de leur origine (animale ou végétale) et de leur structure plus ou moins branchée. Ce sont des macromolécules qui ont un rôle de réserve. (cf séance 3) Héteroside Glycoprotéine Glycolipide Holoside Oligosaccharide Sacharose Lactose Maltose Homoglycane Polysaccharide Hétéroglycane8.Les lipides Amidon GAG Pour les lipides, c est Glycogène Mucine un peu plus Cellulose complexe que le modèle utilisé pour décrire protéines, glucides et acides nucléiques. (càd des monomères qui s assemblent 27

28 en polymère) Car un lipide se défini comme une substance hydrophobe ou amphiphile n appartenant pas aux 4 autres catégories. On en distingue 6 sous-types: Les acides gras, les acyl glycérol, les phosphoacyls glycérols, les sphingolipides, les stérols et les prénols. Nous allons en survoler quelques-uns, sans rentrer dans les détails des molécules. A l avenir soyez analytiques, pour que tout soit clair dans vos têtes. (Comme ce que nous ferons dans les schémas qui vont suivre) A. Les acides gras (AG) C est un acide carboxylique avec une longue chaine carbonée de formule : COOH (CH ) CH 2 n-2 3 Il en existe de nombreux types. Leur composition dépend de leur nombre d atome de carbone, de la présence d insaturation (double liaison), de la localisation de cette double liaison, Exemple : acide linoléique B. Les acyl-glycérols Correspond à l estérification (établissement d une liaison ester) de un, deux ou trois AG sur une molécule de glycérol. Il s agit d une forme de réserve en lipides présente dans les graisses. (ci-contre : un tri-glycéride) C. Les phosphoacyl glycérol (ou phospholipides) Composé d une molécule de glycérol liée à deux AG esterifiés et un phosphate (lui-même rattaché à une autre molécule). Ils vont composer les membranes cellulaires par leur caractère amphiphile : un pôle hydrophobe (AG) et un pôle hydrophile (phosphate). D. Les sphingolipides P Serrine? Choline? Ethanolamine? Inositol? G L Y C E R O L G L Y C E R O L AG 1 AG 2 AG 3 AG 1 AG 2 Composé d une molécule de sphingosine, liant 1 AG par liaison amide, et un phosphate (accroché à autre chose) par liaison ether. AG 1 SPHINGOSINE P E. Les stérols Composé d un noyau stérane. (4 cycles) La base étant la molécule de cholestérol, qui est par exemple un précurseur de la synthèse des sels biliaires ou des hormones stéroïdes. (cortisol, progestérone, testostérone, ) 9.Les vitamines Ce sont pour la plupart des cofacteurs enzymatiques, c est-à-dire des molécules qui vont être nécessaires à certaines enzymes pour catalyser leur réaction. * On les classe en deux groupes : Choline? Oligosacharide? 28

29 Vitamines liposolubles (ADEK) Vitamines hydrosolubles (BC) Elles feront l objet d un cours. Certains éléments seront à savoir. En attendant pour cette pré-rentrée nous ne vous demanderons de connaitre que les lignes ADEK et C car c est de la culture générale! =D Vitamine Synonyme Rôle Aliments riches Pathologie carentielle B1 Thiamine Décarboxylase* Bière Berri Berri B2 Riboflavine Précurseur FAD Levure B3/PP Nicotinamide Précurseur NAD Viande Pellagre B5 Acide pantothénique Précurseur Co A Blé B6 Pyridoxine Couteau suisse* Céréale B8 Biotine Décarboxylase* Volaille B9 Acide Folique ADN Céréale B12 Cobalamine ADN poisson Biermer C Acide ascorbique Antioxydant Fruits crus Scorbut Hydroxylation* A Trans Retinol Peau, vision nuit Carotte Xérophtalmie D Cholecalciférol Absorption du calcium Soleil, huiles de poisson Rachitisme, ostéomalacie E hydroquinone Antioxydant Huiles végé K antihémorragique Chou, persil 29

30 SEANCE 2 : BIOMOL (1) La biologie moléculaire est l étude de l ADN qui est porteur du patrimoine génétique et du processus de synthèse des protéines à partir de séquences génétiques. Structure des Acides nucléiques et de la molécule d adn Les acides nucléiques L information génétique est portée par les acides nucléiques. Dans le noyau ils sont appelés ADN (Acides DesoxyriboNucléique). L ADN est constitué d une succession de nucléotides. Chaque nucléotide comporte 3 éléments principaux : un acide phosphorique, un ose (c est un sucre) et une base azotée. 30

31 L acide phosphorique est le même pour tous les nucléotides. On trouve par contre 2 familles de bases azotées : Les puriques : adénine et guanine o L ose qui leur sera associé sera un β D ribofuranose dans l ARN o ou un β D 2 -désoxyribofuranose dans l ADN Les pyrimidiques : cytosine, uracile (pour les ARN) et thymine (pour les ADN) o Même règle concernant l ose Attention!! Nucléoside = base azotée + ose Donc nucléoside + acide phosphorique nucléotide La liaison ose base est une liaison N glycosidique. Elle permet la formation du nucléoside. La liaison nucléoside acide phosphorique est une liaison ester. Elle aboutit à la formation d un nucléotide. La structure de la molécule d adn A) Organisation de la molécule d ADN On sait que l ADN est constitué d une double hélice enroulée. Chaque chromosome est formé d une seule 31

32 molécule d ADN de structure bicaténaire (en double brin) en forme de double hélice. Les 2 brins sont disposés de façons opposés, on dit qu ils sont antiparallèles. Les bases sont liées spécifiquement entre les 2 brins de la double hélice : Les bases azotées Adénines sont toujours situées en face de thymine (ou d uracile lorsqu on est dans l ARN), elles sont liées par 2 liaisons hydrogènes. Les bases azotées guanine sont toujours situées en face de cytosines (liées par 3 liaisons hydrogènes). Il faudra donc plus d énergie pour séparer un «duo» CG qu un «duo» AT. L ADN n est pas une molécule statique mais une structure dynamique et flexible qui possède différentes conformations. (vous apprendrez en cours les caractéristiques des 3 principales conformations). Les nucléotides successifs de l ADN et de l ARN sont liés par covalence grâce aux groupements phosphates. Le groupement phosphate (5 P) d un nucléotide est uni au groupement 3 OH du nucléotide précédent, par une liaison phosphodiester. Les liaisons phosphodiester ont toutes la même orientation le long de la chaine, donnant à chaque brin linéaire d acide nucléique une polarité spécifique et des extrémités 5 P et 3 OH distinctes. On lira donc toujours une séquence d ADN dans le sens 5 P -> 3 OH (cette polarisation et ce sens sont essentiels!) B) Compaction de l ADN trouve différents niveau de compaction L ADN est considérablement compacté dans le noyau : en effet si les molécules d ADN contenus dans les chromosomes étaient mises bout à bout, cela ferait une longueur totale de 1,8m! Mais l ADN doit en même temps rester accessible aux protéines pour qu il puisse ensuite être répliqué, réparé et transcrit On 1) Les nucléosome Un nucléosome est composé d un complexe protéique central (un octamère d histone) avec des molécules d ADN enroulés tout autour. Cela forme comme un chapelet, chaque perle étant un nucléosome. C est le premier niveau de compaction de l ADN, formant une fibre de 10 nm de diamètre. 32

33 2) La fibre de 30 nm Un histone (histone H1) se fixe sur l ADN des nucléosome pour leur permettre d interagir entre eux. Cela donne une fibre de chromatine de 30 nm de diamètre, avec une superhélice de 6 nucléosome par tour, formant une structure : le solenoïde. 3) Boucles C est le 3 ème niveau de compaction. Son diamètre est de 300 nm en moyenne. 4) Le chromosome définitif. C est la forme la plus compactée de la chromatine. Son diamètre est de 700 nm. Les chromosomes possèdent un centromère, qui est impliqué dans la séparation des chromosomes et la formation du fuseau mitotique. Les extrémités des chromosomes sont appelées télomères. Toutes ces compactions permettent de compacter environ fois l ADN Les molécules d arn Différences avec l adn Les ARN ont certaines caractéristiques qui les opposent aux ADN L ose : c est un ribose dans les ARN (alors que c est un 2 -désoxyribose dans les ADN) Leur base : il n y a pas de thymine mais de l uracile Leur structure : le plus souvent plus courte et monocaténaire (un seul brin). Les règles d appariement (AT et CG) sont les même qu entre 2 brins d ADNLe seul changement est le remplacement de la thymine par l uracile (AU). Les différents types d arn On trouve 4 types d ARN sur le plan fonctionnel, servant à la synthèse protéique. 33

34 ARN ribosomiques : ARNr Ils forment avec des protéines ribosomiales : les ribosomes. Les ribosomes sont des particules situés dans le cytoplasme, parfois liés au réticulum cytoplasmique. Ils sont indispensables à la synthèse protéique. Chez les eucaryotes le ribosome est constitué de 2 sous unités : - Une petite avec 33 protéines et un ARNr - Une grande avec 50 protéines et 3 molécules d ARNr ARN messagers (ARNm) Ils portent un fragment d info génétique de l ADN jusqu au ribosome (où a lieu la synthèse des protéines). L ARNm est tout d abord synthétisé au contact de l ADN sous la forme d un transcrit primaire ou pré messager. Après maturation, l ARNm quittera le noyau. Cet ARNm a 4 particularités : o Il est plus court que le transcrit primaire o Son extrémité 5 possède un chapeau o Les riboses des premiers nucléotides sont méthylés en C2 o L extrémité 3 possède une queue de poly A qui stabilise cet ARNm ARN de transfert : ARNt Ils transportent les acides aminés jusqu au ribosome et assure leur intégration dans la chaine protéique en cours de synthèse. Ils possèdent des nucléotides atypiques. La molécule monocaténiare (un seul brin) d ARNt se replie sur elle-même pour prendre un aspect général en «feuille de trèfle». Dans l espace cette feuille de trèfle se replie et prend une forme de «L». 2 sites ont une grande importance fonctionnelle : - L anticodon : triplet situé sur une boucle de l ARNt capable de fixer un triplet appelé codon sur l ARNm. - L extrémité 3 OH des ARNt se termine toujours par les mêmes nucléotides CCA. C est à cet endroit que se fixera l acide aminé à transporter. Les petits ARN nucléaires : ARNsn (sn = small nuclear) qui ont un rôle dans la maturation des ARNm 34

35 35

36 SEANCE 3 : Biochimie (2) La biochimie métabolique traite de l ensemble des réactions chimiques ayant lieux dans un organisme vivant, dans le but de : synthétiser des molécules d intérêt éliminer des molécules toxiques produire de l énergie Afin d aborder ces réactions biochimiques, vous retrouverez des notions que vous allez aborder en chimie générale en début de semestre (cinétique, thermodynamique, ) soyez donc attentifs! Dans un premier temps pour cette pré-rentrée nous laisserons de côté la cinétique pour se concentrer surtout sur l aspect thermodynamique (énergétique) des réactions qui vont composer le métabolisme. Puis dans un second temps nous aborderons les principales voies du métabolisme énergétique, en montrant qu elles peuvent varier en fonction du temps. 10.Bases de bioénergétique A. Les réactions chimique Une voie métabolique (ex : la glycolyse) va être caractérisée par : un réactif initial un produit terminal des étapes intermédiaires ATP ADP+Pi des enzymes un bilan énergétique une localisation (Tissulaire et cellulaire) Réactif Enzyme(s) R P1 P2 P3 Pf E1 E2 E3 Ef Produit Le bilan énergétique d une réaction se calcul grâce à la variation d enthalpie libre (G), c est-à-dire la différence d énergie libre* entre les produits et les réactifs. (E - E ) produits réactifs 36

37 Si G Ça veut dire que: La réaction Traduction : La réaction est dite Négatif (<0) Les produits formés sont plus stables Exergonique Libère de l énergie Positif (>0) Les produits formés sont plus instables Endergonique Nécessite un apport d énergie Nul (=0) Réactifs et produits sont d énergies égales A l équilibre * L énergie libre correspond à la partie «récupérable» («biologiquement disponible») de l énergie totale mise en jeux au cours d une réaction. Le reste c est du «désordre». (G = H - TS ) B. L hydrolyse de l ATP L ATP est un nucléotide comportant 1 base azotée, 1 ribose et 3 phosphates. Les liaisons pyrophosphates liant les phosphates entre eux sont des liaisons instables, dites «riches en énergie». C est-àdire que lorsqu elles seront hydrolysées, elles vont libérer de l énergie. L hydrolyse de l ATP en ADP+Pi est donc une réaction exergonique. On peut aussi dire que les produits formés (ADP+Pi) sont plus stables que les réactifs (ATP+H2O). Pourquoi? Car pour maintenir des liaisons instables comme les liaisons pyrophosphates de l ATP, il faut leur apporter de l énergie, c est cette même énergie qui sera restitué durant l hydrolyse. (Principe du ressort) Si vous n avez pas tout compris, retenez simplement pour la suite que l ATP est notre véritable carburant, c est LA molécule qui va nous permettre de fournir l énergie nécessaire à notre fonctionnement. (contraction musculaire, réaction de synthèse, ) C. Le couplage Les réactions endergoniques sont des réactions qui sont thermodynamiquement impossibles, elles ne sont pas réalisables spontanément sauf si on leur apporte de l énergie. Une des manières d apporter de l énergie à une réaction endergonique, est de la coupler avec une réaction exergonique. (Comme l hydrolyse de l ATP) C est-àdire que l énergie libérée par la réaction exergonique. Voici ci-contre une façon non conventionnelle de se représenter les choses. Juste pour comprendre. réaction 1 endergonique R1 R2 A A est plus stable que B ATP + H2O ATP est plus instable que ATP B ADP + Pi Thermodynamiquement IMPOSSIBLE (ΔG1 > 0) ENERGIE!!!! (ΔG2 < 0) réaction 2 exergonique. Si G1 + G2 < 0 alors le couplage rendra possible la réaction 1. COUPLAGE ATP + H2O A ADP + Pi Énergie Thermodynamiquement POSSIBLE B (Si ΔG1 + ΔG2 < 0) 37

38 Voici l exemple d une réaction endergonique (pour montrer ce qui se passe en réalité): ac glutamique -> glutamine On va observer la formation d un intermédiaire réactionnel, très éphémère et très instable. (=riche en énergie) Qui va pouvoir être crée grâce au transfert du phosphate de l ATP vers l acide glutamique. (Phénomène spontané grâce à l hydrolyse de l ATP) Cet intermédiaire va évoluer spontanément vers la formation de glutamine. 11.Les grandes voies métaboliques A. Introduction Métabolisme = Ensemble des réactions chimiques couplées et coordonnées assurant les conversions moléculaires. Les voies du métabolisme peuvent être classées en deux catégories : Voies de Energie Réactions Exemple ANABOLISME Synthèse Consommée Réduction Glycogenogenèse, traduction, CATABOLISME Dégradation Produite Oxydation Glycolyse, beta-oxydation, B. Les grandes voies du métabolisme énergétique Afin de produire de l énergie sous la forme de la synthèse de molécules d ATP, plusieurs voies vont être décrites. Chaque voie catabolique (glycolyse, beta-oxydation, PDH, ) va produire à chaque fois un peu d ATP. Néanmoins, le processus ultime qui va significativement produire de l énergie, c est la chaîne respiratoire, se déroulant au cœur de la mitochondrie. Nous ne rentrerons pas dans les détails de son mécanisme ici. Néanmoins sachez qu elle va récupérer des électrons qui ont été «perdus» par les substrats énergétiques (glucose, AG, ) au fur et à mesure de leurs oxydations cataboliques. (Vous verrez comment en cours) 38

39 Trois types de composés vont être utilisés comme réactifs pour produire de l énergie grâce à ces réactions métaboliques. Les glucides, les lipides et en tout dernier recours les protéines : LIPIDES GLUCIDES PROTEINES Triglycéride Glycogène Acide gras 11 Corps cétoniques Cholestérol Acetyl-CoA Glucose Pyruvate Cycle de Krebs Lactate Protéine Acide Aminé : Glycogenolyse 2 : Glycogènogenèse 3 : Glycolyse 4 : PDH (aérobie) 5 : (anaérobie) 6 : OSEF 7 : Cycle de Krebs 8 : Chaine respiratoire 9 : Lipolyse 10 : Estérification 11 : Beta-oxydation des acides gras 12 : Protéolyse 13 : Traduction 14 : Intégration de certains AA modifiés comme intermédiaire du cycle de Krebs Voici le schéma global que vous devrez connaitre pour bien resituer tous les éléments que vous allez étudier en cours dans le détail. Apprenez-le dès maintenant! ;) Ce n est pas figuré sur ce schéma, mais sachez que certains composés (quelques AA, les lactates et le glycérol par exemple) peuvent subir des transformations afin de donner du glucose. C est la NEOGLUCOGENESE. Nous reverrons par la suite pourquoi. Chaine respiratoire 8 ENERGIE C. Variations environnementales Ce modèle n est pas figé. Les équilibres qui sont représentés vont dépendre de l environnement de l organisme. En particulier de ses apports alimentaires et de sa consommation énergétique. En fonction de cela, le système va s adapter. Etudions deux situations opposées : En post-prandial : juste après un repas, notre glycémie et notre lipidémie (taux de glucose et de lipides dans le sang) sont en pleine augmentation. En réaction à cela, notre organisme va par le biais de mécanismes de régulations chercher à tout prix à les réduire. L insuline (une hormone) va être secrétée par le pancréas ce qui va stimuler la consommation à perte des tissus (glycolyse) et le stockage. du sucre sous forme de glycogène (glycogenogenèse) de lipides sous forme de tri-glycérides dans les graisses (estérification, lipogenèse) En inter-prandial : c est-à-dire au moins 4H après un repas, prenons l exemple d un jeûne de durée croissante. Nous somme en hypoglycémie, c est alors la sécrétion de glucagon qui prédomine. Ceci a pour effet avant tout de restaurer la glycémie, mais aussi d économiser l utilisation du glucose pour produire de l énergie. Pour cela le glucagon va va : 39

40 stimuler la fabrication de glucose (NEOGLUCOGENESE ) faire un déstockage de ses réserves (glycogenolyse, lipolyse) si le jeune se prolonge, stimuler les voies non glucidiques de la production énergétique (betaoxydation puis dans le pire des cas : protéolyse) Petit conseil sur cette dernière partie essayez de concevoir un tableau récapitulatif pour vous aider à mémoriser. La biochimie c est certes du par cœur, mais c est surtout de la compréhension. Plus tôt vous apprendrez à ficher vos cours, à vous les approprier en faisant des synthèses claires sous forme de schémas, de tableaux, Nb : cercle gris = membrane cellulaire - et cercle rose = membrane mitochondriale 40

41 UE 3 Physiologie n 1 : le milieu intérieur La physiologie est l étude du fonctionnement des organes. I. Les secteurs de l organisme L eau totale représente 60% du poids du corps (variable en fonction de l âge, du sexe et de la masse grasse). Elle est répartie entre : Le secteur intracellulaire pour ses 2/3. Le secteur extracellulaire pour son dernier tiers. Le secteur extracellulaire apporte les nutriments et élimine les déchets. Il est divisé entre : Le secteur plasmatique qui représente ¼ du liquide extracellulaire. Le secteur interstitiel qui représente les ¾ de celui-ci. Il comprend la lymphe, le liquide céphalo-rachidien, intraoculaire, de l oreille interne et des séreuses. Il existe une transmission de nombreux messages entre tous les secteurs. 1. Secteur plasmatique (valeurs à connaître) La composition ionique du secteur plasmatique est évaluée par le ionogramme sanguin ou ionogramme de Gamble. Il ne prend en compte que les éléments chargés. Cations Anions Na + = 142 meq/l Cl - = 103 meq/l K + = 5 meq/l - HCO Mg 2+ 3 = 27 meq/l = 1,5 meq/l Protéines = 17 meq/l Ca 2+ = 5 meq/l 153,5 meq/l 147 meq/l Il y a g/l de protéines dont : o g/l d albumine o g/l de globulines) Osmolalité plasmatique normale 301,2 mosmol/l 2. Osmolarité/osmolalité 2.1 Définitions L activité osmotique d une solution est représentée par le nombre de particules solubles dans cette solution Pour un composé qui ne se dissocie pas : 1mmol = 1 mosm Pour un composé qui se dissocie il faut faire attention au coefficient de dissociation. Ex du NaCl : dissociation complète : 1mmol = 2 mosm Dissociation à 90% : 10 mmol = 19 mosm 41

42 Osmolalité : c'est la quantité de solutés par kg d eau (solution sans les protéines) Osmolarité : c est la quantité de solutés par litre de solution (eau + protéines) 2.2 Valeurs utilisées en médecine L osmolalité efficace ne prend en compte que les substances ne traversant pas la membrane, qui sont séquestrées dans un secteur et donc responsables de transferts d eau. Osmolalité calculée = 2 x [Na] + [Urée] + [Glucose] Ecart osmotique = Osmolalité mesurée (avec un osmomètre) Osmolalité calculée Il est normalement autour de 10 à 20 mosm.kg -1. S'il est augmenté c est qu il y a présence d une substance osmotiquement active non dosée habituellement, il faut alors suspecter une intoxication (éthanol, méthanol ). 3. Mesure des secteurs La mesure des secteurs se fait par dilution d un traceur radioactif ou d un colorant. On injecte une quantité connue de marqueur. On fait un prélèvement et on détermine la concentration du marqueur dans ce prélèvement. On en déduit ensuite le volume total de dilution Quantité du marqueur injectée grâce à la formule : Volume Concentration du prélèvement 4. Hématocrite Volume des globules rouges Hématocrit e Volume sanguin total L hématocrite doit normalement être entre 40% et 50%. II. Les échanges entre les secteurs Ils se font selon des gradients de concentration. Lorsque deux secteurs liquidiens avec des concentrations ioniques différentes sont séparés par une membrane semi-perméable stricte (laisse seulement passer l eau), il apparaît un gradient de concentration allant du secteur le moins concentré vers le plus concentré. Le transfert d eau se fait dans le sens du gradient. Si la membrane est perméable aux ions, ceux-ci se déplacent dans le sens contraire du gradient. Lors d une modification de l osmolalité dans un secteur, on observe un transfert d eau du secteur le moins concentré vers le plus concentré. 1. Entre secteur intracellulaire et secteur interstitiel Les transferts d eau se font par les aquaporines. Ce sont des canaux membranaires qui facilitent les mouvements d eau : il s agit d un passage passif sans consommation d énergie. Au niveau du rein, on trouve les aquaporines 2, régulé par l ADH. Il existe également des transferts ioniques entre ces deux secteurs. 2. Entre secteur interstitiel et secteur plasmatique La pression hydrostatique est la force exercée par l eau contre une paroi alors que la pression oncotique 42

43 est une force exercée par les protéines qui rappelle l eau. Les pressions interstitielles sont négligeables devant les pressions intra-capillaires. La pression hydrostatique tend à faire sortir l eau du capillaire tandis que la pression oncotique tend à la faire entrer (car les protéines sont dans les vaisseaux essentiellement). Pression hydrostatique interstitielle Pression hydrostatique intra capillaire Pôle artériolaire Pression oncotique interstitielle Pression oncotique intra capillaire Pôle veinulaire Au pôle artériolaire, la pression hydrostatique est supérieure à la pression oncotique. On observe donc une sortie de liquide du secteur intra-vasculaire vers le secteur interstitiel : c est la filtration. Au pôle veinulaire, la pression oncotique estsupérieure à la pression hydrostatique. On observe donc une rentrée de liquide du secteur interstitiel vers le secteur intra-vasculaire : c est la réabsorption. 90% de l eau rentre dans le pôle veinulaire et 10% rejoins la circulation lympahtique. III. La régulation hormonales 1. L hormone antidiurétique : ADH ou AVP Elle est sécrétée par des neurones du complexe hypothalamo-hypophysaire sensibles au l état d hydratation et possède des récepteurs au niveau rénal, au niveau des aquaporines 2. En cas de déshydratation, il y aura sécrétion d ADH (ou AVP) qui stimulera l aquaporine 2 : le rein réabsorbera donc l eau. Cette hormone permet donc la rétention d eau. Lorsque l on retient uniquement de l eau, on augmente le secteur intra-cellulaire. 2. Le système Rénine Angiotensine Aldostérone (SRAA) Ce système permet la réabsorption de sodium et d eau par le rein. Il comprend : - une enzyme : la rénine - une protéine : l angiotensine - une hormone : l aldostérone (produite par les glandes surrénales) 43

44 3. L Atrial Natriuretic Peptide: ANP Elle est synthétisée par l oreillette droite du cœur et permet l élimination d eau et de sodium. En cas d hyperhydratation, l oreillette droite sera distendue et synthétisera l ANP : cela augmentera la natriurèse du rein et inhibera la production d aldostérone par les surrénales. IV. Conclusion L osmolalité extracellulaire conditionne en partie le volume intracellulaire. Le pool hydrosodé conditionne en partie le volume extracellulaire. Le déficit ou l excès en eau uniquement est régulé par l ADH. Le déficit ou l excès en liquide extracellulaire est régulé par le SRAA en cas de diminution et par l ANP en cas d augmentation. V. Mais à quoi ça sert en santé? 1. Comment évaluer l hydratation d un patient? Secteur Signes de déshydratation Signes d hyperhydratation Global Soif Perte de poids Prise de poids Volume plasmatique Diminution de la pression artérielle Veines jugulaires gonflées Augmentation de la pression artérielle Diminution de l élasticité cutanée Œdèmes Secteur Hémoconcentration Hémodilution extracellulaire Augmentation de l hématocrite Diminution de l hématocrite Secteur intracellulaire 2. Thérapeutiques Confusion voir troubles de la conscience Hypernatrémie Réhydratation per os : o Eau pour le secteur intracellulaire. o Eau et sodium pour le secteur extracellulaire. Confusion voir troubles de la conscience Hyponatrémie Réhydratation intraveineuse : 44

45 o Glucose 5% pour le secteur intracellulaire. o NaCl isotonique à 9 pour le secteur extracellulaire. En cas d hyperhydratation : o Restriction hydrique pour le secteur intracellulaire. o Restriction hydrosodée ou salidiurétique pour le secteur extracellulaire. 45

46 UE 3 Physiologie n 2 : phénomènes électriques membranaires I. Généralités Il faut savoir que les milieux extracellulaire et intracellulaire sont électriquement neutres. Cependant, de part et d autre de la membrane des cellules, les charges ne sont pas réparties de la même façon. Du coté extracellulaire, contre la membrane il y a principalement des charges positives, et du coté intracellulaire des charges négatives. Cette différence de charges est responsable du potentiel de membrane, qui est de -75mV. Il existe au travers de la membrane des canaux ioniques, qui permettent les mouvements d ions à travers de cette membrane. Ils sont de deux types : Les canaux de fuite, qui sont ouverts en permanence. Les ions se déplacent alors selon les gradients de concentration. La perméabilité de la membrane aux différents ions dépend du nombre de ces canaux. Les canaux régulés, qui s ouvrent et se ferment en fonction de différents stimulis (hormone, étirement, potentiel de membrane, phosphorylation). Ces canaux peuvent être soit ouverts, soit fermés soit sous forme réfractaire, c est-à-dire qu il est fermé mais qu il ne peut pas être ouvert immédiatement, il doit d abords repasser par la forme fermée. Pour étudier les canaux ioniques on utilise la méthode du patch clamp. Cette technique consiste à isoler avec une micropipette un canal. On stimule ensuite ce canal et on voit sa réaction en mesurant le courant électrique produit. Cela a permis de voir que les canaux s ouvraient selon la loi du tout ou rien (soit ouvert, soit fermé) et que la probabilité d ouverture augmentait avec l intensité de la stimulation. II. Potentiel de repos Ce potentiel est dû à : L asymétrie de la répartition des ions de part et d autre de la membrane La plus ou moins grande perméabilité de la membrane à certains ions La pompe Na + /K + qui fait sortir 3 Na + de la cellule pour faire entrer 2 K +, créant ainsi un déséquilibre de charge 46

47 Ce potentiel de repos est en équilibre dynamique, c est-à-dire qu il y a sans arrêt des échanges à travers la membrane, mais qui se compensent. Remarque : le nombre d ions échangés est faible comparé aux nombres d ions dans les secteurs. Il n y a donc pas de changement dans les concentrations. La modification des potentiels membranaires peut se faire soit par une modification des concentrations ioniques des secteurs (situation plutôt pathologique), soit par une modification de la perméabilité membranaire (situation habituelle) III. Potentiel d action Les potentiels d action sont des variations de potentiel de membrane de cellules excitables. Celui-ci est dû à des mouvements au travers de canaux voltage dépendants de : Na + et K + : on parle de potentiel d action sodique Ca 2+ et K + /Na + : on parle de PA calcique 1. Potentiel d action sodique Ce potentiel a été mis en évidence sur les axones des neurones. Il se décompose en plusieurs temps. 1 : Après la stimulation, il y a un temps de latence avant l ouverture des canaux ioniques. 2 : Les canaux sodiques s ouvrent les premiers, entrainant une entrée de Na + dans la cellule. Cela provoque la dépolarisation de la membrane. 3 : Les canaux potassiques s ouvrent peu après, entrainant une sortie de K + de la cellule. 4 : Rapidement les canaux sodiques s inactivent spontanément, ce qui fait qu il n y a plus que la sortie de K +. Il y a alors repolarisation de la membrane. 5 : Cette repolarisation continue jusqu à ce qu il y ait une hyperpolarisation de la membrane, en dessous du potentiel de repos. 6 : Les pompes Na + /K + rétablissent ensuite le potentiel de repos. Suite au potentiel d action, il y a une période réfractaire tout d abord absolue (pendant laquelle il ne peut y avoir aucun PA) puis relative (où une forte stimulation peut entrainer un PA). Cette période dure 47

48 jusqu au potentiel de repos. 2. Potentiel d action calcique Il permet notamment la contraction cardiaque automatique. La phase 0 correspond à l entrée de Na +, la dépolarisation. La phase 1 est une repolarisation rapide due à la fermeture des canaux sodiques et à l ouverture des canaux potassiques. La phase 2 est la phase de plateau, où la repolarisation est ralentie par l entrée de calcium dans la cellule. La phase 3 est une repolarisation plus rapide suite à l inactivation spontanée des canaux calciques. La phase 4 est un retour au potentiel de repos. 3. Initiation des potentiels d action Le potentiel d action se déclenche quand le potentiel de membrane atteint un seuil qui a stimulé et donc ouvert un nombre suffisant de canaux sodiques voltage dépendants. Tant que ce seuil n est pas dépassé, il n y a pas de PA. Ce phénomène peut être spontané, comme dans les cellules cardiaques ou certaines cellules nerveuses. Il peut aussi être induit par un phénomène extérieur 4. Propagation du potentiel d action Elle se fait en théorie dans toutes les directions, de proche en proche. 48

49 UE 3 Physiologie n 3 : physiologie cardiovasculaire Le but est d assurer une perfusion adaptée à chaque organe. I. Anatomie du cœur Notions de base pour ne pas vous emmêler Le cœur comporte 2 oreillettes (ou auricules) et 2 ventricules, à droite et à gauche. L oreillette droite (OD) est séparée du ventricule droit (VD) par la valve tricuspide et l OG du VG par la valve mitrale. Le VD s ouvre sur l artère pulmonaire avec la valve pulmonaire ; et le VG sur l aorte avec la valve aortique. II. Cycle cardiaque Systole isovolumétrique Elle correspond à la contraction du ventricule mais avec les valves fermées. Il y a donc augmentation de la pression dans le ventricule Systole éjectionnelle La pression du ventricule devient supérieure à la pression dans l artère. La valve s ouvre, laissant passer le sang. Diastole isovolumétrique La pression dans le ventricule redevient inférieure à celle dans l artère, ce qui entraine la fermeture de la valve. 49

50 Le ventricule se relâche, ce qui abaisse la pression ventriculaire. Diastole remplissage La pression ventriculaire devient inférieure à celle régnant dans l oreillette. La valve mitrale ou tricuspide s ouvre, permettant le passage du sang. C est le remplissage passif. A la fin l oreillette se contracte, c est le remplissage actif. Remarques : Il existe une systole et une diastole pour les ventricules et les oreillettes. Quand ce n est précisé, on parle des ventricules. Le cœur droit fonctionne de façon synchrone avec le cœur gauche avec un léger décalage et des pressions plus basses. III. Débit cardiaque Il s agit du volume de sang éjecté par chaque ventricule par unité de temps (L/min). Il est normalement le même entre les deux ventricules. Il dépend des propriétés du cœur et du retour veineux. Q = VES x FC Avec Q le débit, V ES le volume d éjection systolique en L et FC la fréquence cardiaque en min -1 Au repos le débit est de 5 à 6 L/min. Il est influencé par la position, les émotions, l exercice physique, la grossesse, l altitude et la morphologie. 50

51 UE 3 Exercices de physiologie D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 170 mmol/l Protéinémie = 60 g/l Hématocrite : 45 % A. Le patient présente une hyperhydratation extracellulaire. B. Le patient présente une hyperhydratation intracellulaire. C. Le patient présente une déshydratation extracellulaire. D. On peut observer une activation du SRAA chez ce patient. E. On peut le traiter en lui perfusant de l eau distillée. D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 140 mmol/l Protéinémie = 80 g/l Hématocrite : 58 % A. Le patient présente une déshydratation extracellulaire. B. Le patient présente une hyperhydratation intracellulaire. C. Le patient présente une hyperhydratation extracellulaire. D. On peut observer une augmentation de l ANP chez ce patient. E. On peut le traiter en lui faisant boire de l eau salée. D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 140 mmol/l Glycémie : 5 mmol/l Urée : 5 mmol/l Protéinémie = 66 g/l Hématocrite : 42 % Osmolalité mesurée : 320 mmol/l A. Le patient est normalement hydraté. B. L osmolarité calculée est de 150 mmol/l. C. L osmolarité calculée est de 300 mmol/l. D. L osmolarité calculée est de 290 mmol/l. E. L écart osmotique est normal. D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 142 mmol/l Glycémie : 5 mmol/l Urée : 5 mmol/l Protéinémie = 55 g/l Hématocrite : 35 % A. Le patient présente une déshydratation extracellulaire. B. Le patient présente une hyperhydratation extracellulaire. C. Le patient présente une hyperhydratation intracellulaire. D. On peut observer une augmentation de l AVP chez ce patient. E. On peut le traiter en lui perfusant de l eau avec du NaCl à 9. 51

52 D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 170 mmol/l Protéinémie = 60 g/l Hématocrite : 45 % A. Faux, car la protéinémie et l hématocrite sont normales. B. Faux, c est une déshydratation intracellulaire car la natrémie est élevée (normale : 142 mmol/l) Dire aussi que pour les ions monovalents 1mmol = 1meq C. Faux, voir A D. Faux, le SRAA s active en cas de déshydratation EC. Ici on a une élévation de l ADH (AVP) E. Faux, perfusion d eau avec 5% de glucose (eau distillée = gros problème!!) D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 140 mmol/l Protéinémie = 80 g/l Hématocrite : 58 % A. Vrai, car protéinémie et hématocrite élevées. B. Faux, car natrémie à peu près normale C. Faux D. Faux, car l ANP permet d éliminer de l eau et du sodium donc de réduire le secteur EC. C est le SRAA qui est activé. E. Vrai D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 140 mmol/l Glycémie : 5 mmol/l Urée : 5 mmol/l Protéinémie = 66 g/l Hématocrite : 42 % Osmolalité mesurée : 320 mmol/l A. Vrai, car natrémie, protéinémie et hématocrite normales. B. Faux : 140x = 290 (ne pas oublier le «x2») C. Faux (que le Na multiplié par 2) D. Vrai E. Faux, il est de 30 mmol/l (normal : 10 à 20) D après le ionogramme sanguin suivant, indiquer les propositions exactes : Na+ = 142 mmol/l Glycémie : 5 mmol/l Urée : 5 mmol/l Protéinémie = 55 g/l Hématocrite : 35 % Osmolalité mesurée : 326 mmol/l A. Faux, car hématocrite et protéinémie abaissées. B. Vrai C. Faux, natrémie élevée donc déshydratation IC. D. Faux E. Faux, salidiurétique et restriction en sel 52

53 UE 3 Biophysique sensorielle Cours 1 - I- LES ONDES 1. Les ondes c est la base!!! Les ondes sont des perturbations qui se propagent dans un milieu, cette propagation a pour propriétés de transporter de l énergie, mais il n y a surtout pas de transport de matière!!! Il existe ainsi plusieurs types d ondes : les ondes mécaniques qui nécessitent un milieu matériel pour se propager, c est-à-dire qu elles ne se propagent pas dans le vide ; c est le cas des ondes sonores. Il existe de plus des ondes électromagnétiques qui, elles, peuvent se propager dans le vide, telles les ondes lumineuses. Pour ce faire, la source doit être dans un état vibratoire et on considèrera qu elle se propage dans un milieu homogène (identique en toute part) et isotrope (avec les mêmes propriétés dans toutes les directions), pour quelle se propage en ligne droite. L onde peut être progressive si elle se propage dans un milieu infini. L onde peut être plane, si les fronts d ondes sont des plans infinis perpendiculaires à la direction de propagation. L onde possède différentes propriétés, il s agit de sa périodicité temporelle et spatiale, sa direction, son sens de propagation. La périodicité temporelle correspond à la fréquence mesurée en Hertz, ce qui correspond au nombre de vibrations par secondes de la source. De plus la période, étant l inverse de la fréquence, correspond à la durée en seconde d une vibration entière. La périodicité spatiale correspond à la vitesse, plutôt utilisée sous le terme de célérité de l onde. La longueur d onde λ, elle, correspond à la distance parcourue par l onde pendant une durée égale à une période, selon la formule : De plus la phase Φ est une grandeur angulaire indiquant la valeur instantanée dans le cycle d une grandeur physique. Par exemple, deux points séparés par un multiple entier de 2π vont être en phase (comme les points 1 et 2), alors que deux points séparés par + ou - π vont être en opposition de phase (comme les points 3 et 4). Le vecteur d onde caractérise le sens et la direction de propagation des ondes. Il faut également savoir que les ondes périodiques peuvent être sinusoïdales ou non ; dans le cas où une onde n est pas sinusoïdales, cette onde est alors la somme de plusieurs ondes sinusoïdales, elle possède alors plusieurs fréquence, dont la fréquence d ordre un est noté la fondamentale, et les autres fréquences sont les harmoniques, multiples entiers de la fondamentale. Cependant l onde périodique non sinusoïdale n a qu une seule période, celle de sa fondamentale. 53

54 2. Phénomènes affectant la propagation. La réfraction d une onde est un phénomène qui modifie la direction de propagation del onde lorsqu ellechange de célérité en traversant une interface séparant deux milieux différents, dont chacun possède un indice de réfraction noté n. L onde est alors dite réfractée. L interface forme alors une droite avec de part et d autre de cette droite un plan d incidence et un plan de réfraction. Les angles d incidence a et de réfraction a sont alors mis en relation par la fameuse loi de Snell-Descartes, tel que : La diffraction est un phénomène qui s observe lorsqu une onde rencontre un obstacle de taille voisine ou inférieure à la longueur d onde de cette onde, sinon l onde contournera cet obstacle. Si la diffraction s effectue à travers une fente circulaire, on observera derrière une tache centrale appelée tache ded Airy entourée successivement d anneaux noirs (ou anneaux d extinctions) et brillants. Si la diffraction s effectue à travers une fente rectangulaire, on observera derrière une tache centrale avec sur ses côtés d autres taches dont la disposition sera perpendiculaire par rapport à la fente. La diffraction de la lumière à travers deux fentes va créer deux sources de lumières cohérentes. Il va y avoir interférences entre les ondes des deux faisceaux lumineux, c est l expérience de Young. Si les ondes sont en phase, il y aura addition de leurs amplitudes avec formation d une interférence constructive qui formera une frange lumineuse. Si les ondes sont en oppositionde phase, il y aura annulation de leurs amplitudes avec formation d une interférence destructive qui formera une frange sombre. 54

55 I- L AUDITION 1. Notions anatomiques et histologiques L'oreille est divisée en trois grandes parties : l'oreille externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne. Le son est capté par le pavillon au niveau de l'oreille et se dirige ensuite dans le conduit auditif externe (CAE) : ces éléments constituent l'oreille externe. Le son se propage via l'air. Il arrive au tympan qui est une membrane faisant la séparation entre l'oreille externe et moyenne. Le tympan vibre et va mettre en mouvement les osselets de l'oreille moyenne : le marteau, l'enclume et l'étrier. Le son ne se propage donc plus par l'air mais par les osselets! L'oreille moyenne amplifie le son de 30%. Enfin, l'étrier va aller taper au niveau de la fenêtre ovale de la cochlée qui est l'un des constituants majeurs de l'oreille interne. Cela va alors entrainer des mouvements d'un liquide dans cet organe : le son se propage alors par les liquides! La conduction sonore se fait donc d'abord par l'air, puis par les os, et enfin par le liquide. Ce schéma simplifié nous montre que la cochlée est traversée par de nombreux canaux qui comprennent tous une rampe vestibulaire, une rampe moyenne (ou canal cochléaire) et une rampe tympanique. La rampe vestibulaire et la rampe tympanique sont remplies d'un liquide appelé périlymphe (de nature plutôt extracellulaire, donc riche en Na+ et Cl-)et le canal cochléaire est, lui, rempli d'endolymphe (de nature plutôt intracellulaire, donc riche en K+). La rampe vestibulaire commence par la fenêtre ovale, là où vient taper l'étrier qui est le dernier élément de la chaine des osselets de l'oreille moyenne. Elle se finit au fond de la cochlée que l'on appelle l'hélicotrème. Celui-ci fait communiquer la rampe vestibulaire avec la rampe tympanique qui va elle se finir au niveau de la fenêtre ronde. Sur cette coupe schématique d'un des canaux de la cochlée, on voie que la rampe vestibulaire est séparée du canal cochléaire par la membrane de Reissneret que la rampe tympanique est séparée de ce canal par la membrane basilaire. Sur la membrane basilaire repose l'organe qui va permettre la transduction du signal sonore en signal électrique (neurosensoriel) : l'organe de Corti. Et c'est de cet organe que part le nerf auditif (ou vestibulo-cochléaire) qui va envoyer les informations (qu'a reçu l'appareil de Corti) au cerveau. 55

56 L'organe de Corti est relié à la membrane basilaire (comme montré sur le schéma). Il comprend une membrane tectorialequi le recouvre et il est composé de deux types cellulaires : les cellules ciliées externes (CCE) et les cellules ciliées internes (CCI). Les CCE sont les cellules ciliées les plus nombreuses dans l'organe de corti. Elles ont des cils qui sont solidaires à la membrane tectorialeet elles possèdent des propriétés contractiles. Les CCI, elles, ont des cils qui sont libres. Elles sont considérées comme des neurones car elles font synapse avec d'autres neurones pour, d'ailleurs, former le nerf auditif. Les CCE reçoivent des informations du cerveau par des voies efférentes (efférentes = du centre vers la périphérie) et les CCI, elles, reçoivent aussi des informations du cerveau mais en renvoient par le nerf auditif (= voie afférente = de la périphérie vers le centre). 2. Bases sur le fonctionnement de l'organe de Corti Lorsque l'étrier de l'oreille moyenne vient taper sur la fenêtre ovale de la cochlée, celui-ci va déclencher un mouvement liquidien de périlymphe qui fait alors vibrer transversalement la membrane basilaire en un point précis en fonction de la fréquence (en Hertz : Hz) de l'onde sonore (la fréquence détermine la tonalité du son = aiguë ou grave) et de sa puissance (en décibels : db) (la puissance conditionne l'intensité du son = fort ou faible). Les sons de fréquences aiguës déforment préférentiellement la région de la base de la membrane basilaire (près de la fenêtre ovale) et les sons de fréquences graves celle de l'apex (près de l'hélicotrème). Ce phénomène est à la base de la tonotopie passive : un point de la membrane basilaire = une fréquence. La membrane basilaire vibrant en un point précis va alors mettre en mouvement la membrane tectoriale. Celle-ci va alors rentrer en contact avec les cils des cellules ciliées interne avec une fréquence précise. Les CCI vont alors envoyer des potentiels d'action, avec la même fréquence, via le nerf auditif jusqu'au cerveau. Le neuromédiateur au niveau des CCI est le glutamate. Ce sont donc les cellules ciliées internes qui sont responsables du message auditif! Les cellules ciliées externes, elles, sont à l'origine du phénomène de tonotopie active. Leurs cils étant liés à la membrane tectoriale, elles peuvent moduler l'amplification des mouvements de la membrane tectoriale et donc des CCI. Elles en sont capables car elles possèdent des propriétés contractiles et reçoivent des informations du cerveau par des voies efférentes. Il s'agit en fait d'une sélection des fréquences. Exemple pour mieux comprendre : Vous rentrez dans une boite de nuit, il y a énormément de bruit. Vous n'arrivez pas à entendre ce que dit votre ami car le bruit de la boite couvre sa voie : c'est la tonotopie passive, vous prenez toutes les informations sonores sans sélectionner. Si vous vous concentrez un peu, vous arrivez à distinguer les sons de sa voie et finalement réussir à comprendre ce qu'il dit en prêtant beaucoup moins attention au bruit ambiant : c'est la tonotopie active, vous avez sélectionné certaines fréquences (notamment celles de la voix de votre ami) grâce au travail des cellules ciliées externes! Il y a donc deux composantes dans l'audition : la tonotopie passive et active! 56

57 Petite information : la contraction des cellules ciliées externes émet des ondes sonores qui sont responsables des otoémissions acoustiques. Elles sont mesurables en pratique pour évaluer l'intégrité de l'oreille interne notamment chez les nouveaux nés, où ce test sert de dépistage pour la surdité. Normalement, ces otoémissions acoustiques ne sont pas audibles par la personne. 3. Notions d'audiométrie et de psycho-acoustique Le son possède différentes caractéristiques physiques qui correspondent à des sensations que l'on perçoit : La tonie = (Fréquence en Hz) :Il s'agit de la qualité physiologique permettant de reconnaitre un son aigu ou grave. Il dépend de la fréquence. Il existe différentes unité de tonie : - octave : rapport de fréquence = 2. exemple : un son de fréquence = 16 Hz et un autre son de fréquence = 32 Hz, il y a un octave d'intervalle entre ces deux sons! - Savart : 1 octave = 301,03 savart - Cent= ¼ savart - Comma= 5,4 savart La sonie = (Puissance en db): Il s'agit de la qualité physiologique qui permet de dire si un son est faible ou fort. Il dépend de la puissance acoustique (en W) du son. Il existe deux unités de sonie : - le phone : cela correspond à la puissance en db (W.m²) mesurée à 1000 Hz - le sone : 1 sone = 40 phones - Le timbre = (spectre) : Il s'agit d'une perception sensorielle complexe faisant appel à des qualificatifs divers (son «clair», «rond», «aigre», ). Il est lié au spectre d'amplitude des fréquences d'un son complexe (piano // trompette). L'étendue du spectre sonore chez l'enfant va de 15Hz à 20000Hz et de 20Hz à 10000Hz chez l'adulte avec un maximum dans les fréquences de 1000 à 4000 Hz. L'acuité auditive : c'est la possibilité d'entendre distinctement deux sons avec une différence de fréquences de 2 à 6 Hz. Cette acuité auditive diminue avec l'âge notamment après 60 ans dans les aigus : c'est la presbyacousie. Il est également important de comprendre une certaine chose : en fonction de la fréquence le seuil auditif n'est pas le même, le seuil auditif étant la plus petite intensité sonore provoquant une sensation. En effet, pour une fréquence de 50 Hz, le seuil auditif se trouve à 60 db, c'est-à-dire qu'à cette fréquence il faut une intensité égale à 60 db minimum pour entendre un son. Alors que dans les fréquences de la voix humaine (de 1000 à 4000 Hz), le seuil auditif est très proche de 0 db. (voir courbe ci-après). Le seuil douloureux d'intensité pour l'oreille humaine correspond à 120 db environs. 57

58 4. Explorations fonctionnelles auditives L'exploration fonctionnelle auditive permet d'évaluer l'audition d'une personne par différentes méthodes. Il est important de savoir que les méthodes utilisées sont soit subjectives, c'est-à-dire qu'elles reposent sur ce que la personne va répondre et non sur des mesures physiques claires comme les méthodes objectives. L'acoumétrie est une méthode subjective qui permet d'évaluer l'audition d'une personne pour chaque oreille. Il existe tout d'abord l'acoumétrie phonique qui est une méthode très simple : l'examinateur prononce des mots ou phonèmes (sons comme «ma» ou «to») à une distance variable du patient, et celui-ci doit les répéter correctement. L'étude se fait oreille par oreille, donc l'autre oreille doit être bouchée. Le patient ne doit pas voir l'examinateur. La voix chuchotée est normalement perçue à 6 mètres. Ensuite, il existe l'acoumétrie instrumentale qui nécessite l'utilisation d'un diapason. Cet instrument permet d'étudier différents types de conduction et donc différentes structures de l'oreille, ce qui permet de préciser l'étiologie (étude des causes) de la surdité (si surdité il y a!) : la conduction aérienne et la conduction osseuse. La conduction aérienne est la conduction normale, le son se propage en passant par l'oreille externe et l'oreille moyenne pour arriver à la cochlée de l'oreille interne. La conduction osseuse, elle, permet de propager le son sans le faire passer par l'oreille externe et moyenne. En effet, si on fait vibrer le diapason et si on le pose sur un os du crâne (la tempe, les dents ou même le haut du crâne), le son va directement arriver à l'oreille interne. Tandis que si le diapason est mis devant l'oreille, le son se propagera en passant par les voies normales de l'audition. - Si la conduction aérienne est altérée et la conduction osseuse ne l'est pas, on parle de surdité de transmission : soit l'oreille moyenne, soit l'oreille externe est atteinte. - Si la conduction aérienne et la conduction osseuse sont toutes les deux altérées, on parle alors de surdité de perception : l'oreille interne est atteinte (si elle est atteinte, peu importe d'où arrive le son, celui-ci sera mal perçu!) Il existe deux épreuves utilisant l'audiométrie instrumentale : l'épreuve de Weber et l'épreuve de Rinne. L'épreuve de Weber consiste à poser un diapason sur le haut du crâne du patient. Celui-ci nous expose ensuite de quelle oreille il entend le mieux. - Si l'audition est normale, la perception de la vibration sonore se situe au milieu du crâne : le test de Weber est «indifférent» - - Dans le cas d'une surdité de perception d'une oreille : le patient perçoit le son de l'autre oreille, le test est donc latéralisé du côté sain. - Dans le cas d'une surdité de transmission d'une oreille : le patient perçoit le son préférentiellement de cette oreille. En effet, l'atteinte de l'oreille externe ou moyenne protège l'oreille interne du bruit de fond extérieur! Le test est donc latéralisé du côté malade. L'épreuve de Rinne consiste à poser un diapason sur un os du crâne près de l'oreille du patient. Normalement, celui-ci perçoit un certain temps la 58

59 vibration sonore (conduction osseuse), et à la disparition du son, on met le diapason devant l'oreille (à 2 cm) et la personne perçoit à nouveau la vibration sonore (conduction aérienne) pendant environs 15 secondes (car l'oreille moyenne amplifie le son!) - Si l'audition est normale, la conduction aérienne (CA) est supérieure à la conduction osseuse (CO) car la personne perçoit plus longtemps le son par la CA. On dit que le Rinne est positif - En cas de surdité de perception, la CA est toujours supérieure à la CO car les deux conductions sont influencées par une atteinte de l'oreille interne. Le Rinne est donc positif. - En cas de surdité de transmission, la CO est supérieur à la CA car seule la CA est influencée par une atteinte de l'oreille moyenne ou externe. Le Rinne est donc négatif. Ces deux tests sont interprétables seulement si ils sont fait tous les deux! L'audiométrie est également une méthode subjective permettant d'évaluer l'audition mais d'une autre manière. On retrouve notamment l'audiométrie vocale : il s'agit de demander au patient de répéter une liste de 10 mots di-syllabiques émis à une intensité constante. On recommence pour différentes intensités avec une liste de 10 mots. On note le nombre (ou le pourcentage) de mots correctement répétés. Cela permet de déterminer le seuil d'intelligibilité qui correspond à l'intensité pour laquelle 50% des mots sont répétés correctement. Les sourds ont des seuils d'intensité élevées (pour de grandes intensité) et le maximum d'intelligibilité n'atteint pas 100% (Pour n'importe qu'elle intensité, ils ne répètent pas correctement 100% des mots). Ces données sont reportées sur un audiogramme vocal (voir ci-dessous). La courbe bleue correspond à une audition normale, tandis que la courbe rouge correspond à une audition anormale avec un seuil d'intelligibilité de 65 db et un maximum d'intelligibilité de 80%. Il existe enfin l'exploration électrophysiologiquequi comprend de nombreuses méthodes objectives permettant d'étudier l'audition d'une personne comme notamment les potentiels cochléaires composite (ou électrocochléogramme), les potentiels évoqués auditifs (PEA) et enfin les oto-émissions acoustiques (OEAs). 5. Aspect énergétique et règles de calcul Une onde véhicule de l'énergie qui est exprimée à la base en W.m-2 or nous avons l'habitude de voir les puissances en Bell ou en décibel et donc pour passer des W.m-2 en décibel il existe des règles de calcul: Sachant que Wo est la valeur de la puissance la plus faible audible par l'homme c'est à dire: W.m-2 Maintenant lorsqu'on double une puissance sonore on pourrait se dire qu'il suffit de doubler la valeur en db initiale pour avoir la puissance finale or cela est totalement FAUX. 59

60 Car si l'on a une enceinte à 60 db et qu'on rajoute une autre enceinte de 60 db le total ne sera pas 120 db!!! Pour pouvoir avoir la puissance il va falloir utiliser la formule ci-dessus: 1) 60 = 10 log(x ) et donc la puissance d une enceinte est de ) donc deux enceintes auront une puissance de 2x10-6 3) et donc la puissance de deux enceintes sera de 63dB (calcul avec la formule ci-dessus) Equivalence entre le nombre de sources sonores et la puissance sonore L x 2 L x 3 L x 5 L x 10 L / 2 L / 3 L / 5 L / Dans la 1è ligne, L représente la source lumineuse. Dans la 2è ligne on a la variation de puissance sonore. Par exemple prenons une source sonore de 20 db, ce tableau explique que si l on met 3 sources sonores identiques les unes à côté des autres, la puissance sonore sera alors de 20+5 soit 25 db. De même, si 100 sources sonores ont une puissance sonore de 78 db toutes ensembles, alors si on divise par 10 le nombre de ses sources, la puissance sonore résultante sera de soit 68 db. L ensemble des valeurs de puissance sonore de ce tableau peut être retrouvé en utilisant la formule cidessus. Exercices : Une source sonore L1 seule a une puissance sonore de 12 db, quelle sera alors la puissance sonore de 15 sources L1? 120 sources sonores L2 ont une puissance sonore de 89 db, quelle sera alors la puissance sonore de 20 sources L2? Une source sonore L3 seule a une puissance sonore de 0 db, quelle sera alors la puissance sonore de 50 sources L3? (voir le diapo pour la correction) NOTE FINALE Les bases anatomiques et histologiques sont fondamentales. Si elles sont apprises, cela sera beaucoup plus facile pour vous de comprendre des aspects plus complexes, car certains passages des cours que vous allez voir sont compliqués à saisir. Bon courage à vous tous! 60

61 UE 3 Biophysique sensorielle Cours 2 La biophysique sensorielle est une discipline qui intègre autant des notions de physique que des notions de biologie pour expliquer la mécanique sensorielle. Nous allons notamment exposer des connaissances de base sur les thèmes de la VISION et de l'audition. II- LA VISION 1. Notions anatomiques et histologiques Ces notions sont essentielles pour situer l'organe de la vision et ces différents composants que ce soit à l'échelle anatomique ou à l'échelle tissulaire (l'histologie étant l'étude des tissus!) Certains éléments sur ce schéma ne sont pas très importants pour ce que l'on va voir ici. Il faut surtout retenir que la lumière, avant d'arriver sur la rétine, va devoir traverser un certain nombre de structures : la cornée, l'humeur aqueuse, le cristallin et le corps vitré (ou humeur vitrée). La rétine est une sorte de prolongement du cerveau qui reçoit la lumière arrivant à l œil et qui transforme ce signal physique en un signal électrique compréhensible par le cerveau. Ce signal y est envoyé par le nerf optique. On parle de transduction lorsqu'un signal physique est changé en signal électrique par un récepteur sensoriel, bien que ce terme ne s'applique pas seulement pour ce cas. Chaque œil va envoyer des informations au cerveau par son nerf optique. Les deux nerfs vont alors, en arrière des yeux, se rassembler pour former un chiasma optique. Ainsi, les informations provenant des deux rétines sont séparées et vont ensuite être renvoyées vers le cerveau par des voies visuelles que l'on nomme tractus optiques. Ces voies vont passer par les corps genouillés latéraux qui sont des noyaux relais sur les voies de la vision. Les voies visuelles se nomment alors radiations optiques et vont se projeter dans le cortex visuel primaire qui se trouve dans le lobe occipital du cerveau : l'une des radiations optiques dans l'hémisphère droite et l'autre dans l'hémisphère gauche! 61

62 Donc lorsque l'on regarde le schéma de gauche, on voit bien, en suivant les voies visuelles (d'abord nerf, puis tractus et enfin radiations optiques), que le cortex visuel primaire droit intègre les informations provenant de la demi rétine nasale gauche et de la demi rétine temporale droite (en vert sur le schéma) et que le cortex visuel primaire gauche intègre, lui, les informations provenant de la demi rétine nasale droite et de la demi rétine temporale gauche (en rouge sur le schéma). Or, le champ visuel est décomposé en deux hémichamps: le droit et le gauche. Et c'est la demi rétine nasale gauche et la demi rétine temporale droite qui prennent en charge ce qui provient de l'hémichamp visuel gauche. Et inversement pour l'hémichamp visuel droit. Le cortex visuel primaire gauche intègre donc les informations de l'hémichamp visuel droit, et le cortex visuel primaire droit intègre les informations de l'hémichamp visuel gauche. C'est inversé! 2. Champs visuels Le champ visuel correspond à l'espace que peut percevoir un œil lorsque ce dernier fixe un point précis. Il est divisé en champ temporal et nasal. Mais il peut également être divisé en hémichamp droit et hémichamp gauche (comme dit précédemment). - ½ rétines nasales droite et gauche = champ temporal - ½ rétines temporales droite et gauche = champ nasal - ½ rétine nasale droite + ½ rétine temporale gauche = hémichamp droit - ½ rétine nasale gauche + ½ rétine temporale droite = hémichamp gauche. Tâche aveugle : il s'agit d'un point dans le champ visuel que l'on ne peut pas voir car celui-ci correspond à la naissance du nerf optique au niveau de la rétine que l'on appelle également papille optique! En ayant connaissance des différents champs visuels et des rétines responsables de leur vision, il est assez facile de voir quelles peuvent être les conséquences des lésions sur les voies de la vision! (voir schéma) 62

63 En matière d'histologie, une dizaine de couches cellulaires composent la rétine mais seulement certaines cellules nous intéressent ici : les cellules en cône et cellules en bâtonnet. Ce sont des cellules photo-réceptrices qui possèdent toutes les deux une substance chimique (protéine) appelée photopigment: la rhodopsine pour les bâtonnets et la iodopsinepour les cônes. C'est le segment externe qui contient cette protéine alors que le segment interne, lui, contient les organites (mitochondrie, appareil de golgi, réticulum endoplasmique,...) et le noyau cellulaire. Les bâtonnets sont mis à contribution pour la vision nocturne, c'est-à-dire la vision en noir et blanc. Les cônes eux sont utilisés pour la vision diurne en couleurs. Les cellules en bâtonnet sont les cellules photoréceptrices les plus nombreuses dans la rétine. En effet, la rétine possède en son centre ce que l'on appelle la fovéa qui comprend uniquement des cellules en cône : c'est l'endroit de la rétine où l'acuité visuelle est la plus élevée en vision diurne (l'acuité visuelle étant la capacité à discerner un petit objet situé le plus loin possible). Plus on s'éloigne de la fovéa pour aller vers la périphérie, moins il y a de cônes et plus il y a de bâtonnets. De plus, on distingue trois types de cônes en fonction de l'iodopsine de chacun. On parle alors de cônes S, M et Lcar l'un possède une iodopsine S, l'autre M et le dernier L. Ces différents photopigments absorbent différentes longueurs d'ondes (unité physique qui détermine la couleur de la lumière) correspondant à différentes couleurs. Le cônes S (S pour «small» correspondant à la longueur d'onde) possède donc un spectre d'absorption qui s'étend de 400 à 500 nm (BLEU), le cône M (pour «medium») possède un spectre d'absorption qui s'étend de 450 à 650 nm (VERT) et le cône L (pour «large») en possède un qui s'étend de 550 à 750 nm (ROUGE). 3. Contrôle végétatif de l œil Il faut savoir que l œil est innervé par différents nerfs permettant notamment son oculo-motricité extrinsèque (mouvements de l'œil à droite/gauche/bas/haut) et intrinsèque (pupille dilatée/rétrécie, cristallin qui converge/diverge). Cette motricité peut être volontaire, comme pour des mouvements extrinsèques de l œil, mais celle-ci peut être involontaire et dans ce cas on parle d'innervation végétative! Il en existe deux composantes : l'innervation sympathique et parasympathique. Ce sont deux circuits nerveux qui se différencient par leur origine et leurs effets sur l œil (il faut savoir que le système végétatif agit sur tout le corps humain et pas seulement sur l œil!). Les effets de l'innervation parasympathique : - myosis : rétrécissement de la pupille par contraction des muscles radiaires de l'iris. - Contraction du cristallin : convergence par contraction du muscle ciliaire. Les effets de l'innervation sympathique : - mydriase : dilatation de la pupille. 63

64 - Étirement du cristallin : divergence. Réflexe photomoteur: il s'agit d'un réflexe permettant l'ajustement automatique du diamètre de la pupille en fonction de l'éclairement. Et il est intéressant de savoir que lorsque l'on éclair un œil, celui-ci va donc avoir un réflexe direct photomoteurde myosis mais l'autre œil, qui lui n'est pas éclairé, va également avoir un réflexe de myosis que l'on appelle réflexe consensuel! Le nerf optique et le nerf oculomoteur interviennent dans le réflexe photomoteur direct mais c'est le nerf oculomoteur seul qui est responsable du réflexe consensuel. - Obscurité = mydriase - Lumière = myosis Information supplémentaire : L'étude du réflexe photomoteur permet de préciser la localisation de lésions sur les voies visuelles. Si le réflexe photomoteur direct et consensuel sont tous deux abolis, le nerf oculomoteur est atteint car seul son atteinte peut être responsable de l'abolition des deux réflexes. En revanche, si seulement le réflexe direct est aboli avec un réflexe consensuel préservé, alors il y a atteinte du nerf optique! 4. Exploration fonctionnelles visuelles Les explorations fonctionnelles visuelles permettent d'étudier de manière objective la vision d'une personne. Il existe différents examens permettant d'étudier différentes structures des voies de la vision! Nous allons en voir quelques-unes succinctement. L'examen de base consiste en un examen à lampe de poche de l œil pour examiner les structures externes de l œil telles que les paupières, la cornée, etc. On vérifie par la même occasion les réflexes pupillaires (myosis qui est un rétrécissement de la pupille, quand on approche la lumière de l œilet mydriase, qui est une dilatation de la pupille, qui s'observe dans l'obscurité). De plus, une simple lecture d'une fiche lettrée à une certaine distance permet de vérifier l'acuité visuelle du patient! L'exploration du cristallin et du fond de l œil sont également possible grâce à un outil que l'on appelle ophtalmoscope => Ce petit paragraphe en italique fait partie du Book de l UE3 mais n est plus étudié en PACES depuis quelques années. L'électrorétinogramme (ERG) est une technique qui permet d'étudier les réponses de la rétine à différents stimulus lumineux de différentes intensités et couleurs. En effet, il s'agit de différencier la réponse scotopique (lumière de faible intensité assimilée à la nuit) et photopique(lumière de forte intensité assimilée au jour) : ce sont les cônes qui réagissent à une stimulation photopiqueet les bâtonnets qui réagissent à une stimulation scotopique! Il faut également savoir que 64

65 pour étudier la réponse des cônes, on utilise une lumière de couleur rouge. On utilise une couleur plutôt bleu (les plus basses longueurs d'onde dans le visible) pour étudier les bâtonnets! Enfin, les informations électriques sont recueillies seulement au sortir de la rétine à l'aide d'électrodes placées sur la cornée et sur la peau sur les côtés de l œil(voir image en haut). Les potentiels évoquées visuels (PEV) consistent en l'étude de la modification du potentiel électrique à une stimulation visuelle. C'est donc l'ensemble du circuit visuel, de la rétine au cortex visuel, qui est exploré! On place un certain nombre de capteur sur le crâne du patient (on peut utiliser un encéphalogramme). La personne visualise alors des images de motifs alternées style «damier» et la réponse électrique est recueillie sur un graphique! 5. Optique géométrique Il faut savoir que lorsqu'un rayon arrive au niveau de l'œil il subit ce que l'on appelle la réfraction, c'est à dire qu'il va changer de trajectoire en venant frapper la surface de l'œil Ce phénomène est dû au changement de milieu de l'onde lumineuse et donc au changement d'indice de réfraction. Tous cela est régit par la loi de Descartes (vue en terminale) : Maintenant si l'on regarde d'un point de vue puissance, chaque œil possède une puissance propre qui s'exprime en dioptrie (1δ=1m-1, soit l inverse du mètre). L'œil humain a une puissance d'environ 60δ). Et cette puissance lui permet d'avoir un point que l'on nommera punctum proximum(pp) : point le plus proche vu distinctement au maximum de la puissance de l'œil. Il existe aussi un punctum remotum(pr): point le plus éloigné vu sans accommodation. Il faut aussi savoir que les distances sont négatives devant l'œil et positives derrières l'œil donc si le remotum est à 1,45m de l œil on dira qu'il aura un punctum remotum de -1,45m, il est aussi bon de savoir que chaque œil possède une accommodation (variation de la puissance) appelée A qui se calcul selon cette formule: cette formule vous permet donc le plus souvent soit de trouver l'accommodation ou alors au contraire la position du punctum proximum ou du punctum remotum. Exercice : Un sujet âgé de 72ans consulte en ophtalmologie ; on s aperçoit qu il ne peut pas voir nettement au-delà de 1.5m. Son amplitude maximale d accommodation est de 2 dioptries. Où se situe son puctum proximum? (voir correction sur diapo) 65

66 6. Les amétropies. Les amétropies sont les problèmes de la vision, c est-à-dire que le Remotum se trouve à une distance finie, au contraire de l emmétropie (bonne vision) où le Remotum se situe à une distance infinie (on considèrera une distance infinie lorsque celle-ci est supérieure à 5m). On étudiera ici surtout deux types d amétropies sphériques, il s agit de la myopie ainsi que de l hypermétropie (ou hyperopie). La myopie équivaut à un excès de puissance de l œil, celui-ci converge trop et l image d un point situé à l infini est alors formée en avant de la rétine, ce qui est loin est donc vu trouble et ce qui est près est vu nettement. Le punctum remotum (point conjugué de la rétine d un objet vu net sans accommodation) est situé devant l œil, à une distance finie inférieure à 0 car situé devant l œil. Ce problème se corrige donc par des lentilles divergentes. L hypermétropie équivaut à un défaut de puissance de l œil, celui-ci ne converge pas assez et l image d un point situé à l infini est alors formée en arrière de la rétine, rien n est vu nettement en l absence d accommodation, c est une vision fatigante. Le punctum remotum est situé derrière l œil, à une distance finie supérieure à 0 car situé derrière l œil. Ce problème se corrige donc par des lentilles convergentes. L astigmatisme est une amétropie non sphérique et correspond à une absence de stigmatisme. Le stigmatisme correspond à une cornée sphérique (tel un ballon de volley), alors que l astigmatisme correspond à une cornée non sphérique (comme un ballon de rugby) où les rayons ne convergeront pas tous sur la rétine. Les circonférences de la cornée forment des méridiens qui seront projetés en focales au niveau de la rétine (s il n y a pas d amétropie), c est-à-dire en point de convergence des rayons, dont le schéma ci-contre devrait mieux présenter cette notion un tant soit peu complexe. en focales horizontales. Les méridiens verticaux sont alors projetés Et les méridiens horizontaux sont projetés en focales verticales. On retrouve donc deux focales (une verticale et une horizontale), qui pourront entrainer différents types d astigmatismes en fonction de leur localisation. Il existe ainsi des astigmatismes simples s il n y a qu une seule des deux focales qui ne se situe pas sur la rétine, ou des astigmatismes composés si aucune des deux focales n est située sur la rétine. L astigmatisme peut être de type myopique si la focale est située en avant de la rétine, de typer hyperopique si elle est située en arrière de la rétine ou encore 66

67 mixte si une focale est située en avant de la rétine et l autre en arrière. Si l astigmatisme est simple, il est corrigé par des lentilles cylindriques. Si l astigmatisme est composé ou mixte, il est corrigé par des lentilles toriques. Les anomalies de la vision peuvent aussi toucher les couleurs, ces anomalies seront regroupées sous le terme de dyschromatopsies. Il en existe là aussi différents types, tels les monochromatopsies, c est le cas de la nyctalopie lorsque l on voit seulement par les bâtonnets. Il existe aussi la dichromatopsie qui est une vision bivariante due à l absence d un des 3 types de cônes. On retrouve les daltoniens pour lesquels la courbe de visibilité est déplacée vers les courtes longueurs d onde, donc plus vers les bleus. La trichromatopsie, elle, est une vision trivariante dans laquelle on peut voir les 3 couleurs primaires, mais avec des proportions différentes. La vision des couleurs est étudiée par le test d Ishihara cicontre. 67

68 UE 3 Biophysique des radiations - Cours 1. Généralités sur les rayonnements énergétiques 1.1. Les rayonnements Il existe deux sortes de rayonnements : Constitués de photons : Les photons n ont ni masse ni charge mais véhiculent de l énergie. Ce sont les constituants des rayons électromagnétiques (REM) encore appelés les rayons lumineux. Ces rayonnements photoniques portent différents noms selon l origine de leur émission : Les rayons X désignent les photons d origine électronique (ex : émission d un photon X lorsqu un électron descend à une couche électronique ayant un niveau énergétique inférieur). Les rayons (gamma) désignent les photons d origine nucléaire (ex : émission lorsqu un noyau se désexcite) Ces rayonnements photoniques ont un spectre énergétique discontinu c est-à-dire que pour un processus d émission donné, chaque photon emporte la même quantité d énergie (les photons ont donc tous la même longueur d onde pour une même transformation). Constitués de particules : Les particules ont toutes une origine nucléaire : elles sont toutes émises à partir d une désintégration nucléaire. Il en existe plusieurs sortes : particules β+ (positon), β- (électron), particules α et autres (protons ) Ces deux types de rayonnement (photonique et particulaire) sont deux formes différentes d un même processus : le transport de l énergie La relation masse-énergie Il existe une équivalence entre la masse (m)et l énergie (E) en faisant intervenir le carré de la vitesse de la lumière : E = mc² Pour utiliser cette formule : E est en joules (J), m est en kilogrammes (kg) et c est en mètres par seconde (m/s). (c = m/s) Une conversion d énergie en matière est ainsi possible et inversement. Ex : le défaut de masse : un noyau pèse moins lourd que tous ses constituants pesés séparément : le noyau est donc moins énergétique que ses constituants : il faudra apporter de l énergie au noyau pour le casser et créer la masse manquante pour obtenir ses constituants séparés Les unités en radioactivité Les rayonnements corpusculaires sont caractérisés par: Une masse (m): en uma. L unité de masse atomique étant plus adaptée que le kg pour les calculs en radioactivité 1 uma = 1/Na g = 1.66 x kg avec Na : le nombre d Avogadro Donc 1 uma correspond au 1/12 ème de la masse d un atome de carbone 12. Une charge (q): en coulomb (1.6x10-19 cb pour l électron) 68

69 Une énergie (E): en électron volt: 1 ev = 1.6x10-19 J Ces unités ne sont pas celles du système international : utiliser la formule E = m.c² pour obtenir l énergie équivalente à une masse n est pas possible sans faire les conversions nécessaires. Il existe cependant une expression essentielle pour le faire : 1 uma = MeV/c² c est-à-dire qu une masse de 1 uma correspond à une énergie de MeV. Les rayonnements photoniques n ont ni masse ni charge mais une énergie : E = h. = h.c/ Avec : Ν la fréquence du rayon lumineux h la constante de Planck c la célérité de la lumière λ la longueur d onde On en déduit que plus la longueur d onde du rayonnement est courte, plus il est énergétique. 2. Le noyau et ses caractéristiques 2.1. Présentation de l atome L atome désigne : un noyau central constitué de neutrons (charge nulle) et de protons (charge +). un cortège électronique : des électrons (charge -) gravitent autour du noyau. Le noyau X est noté : X A Z Z : nombre de protons, appelé numéro atomique ou nombre de charge N : nombre de neutrons A = Z + N : nombre de nucléons appelé nombre de masse Quelques définitions : Isotopes : plusieurs noyaux différents avec le même nombre de protons: même Z Isobares: plusieurs noyaux différents avec le même nombre de nucléons : même A Isotones : plusieurs noyaux différents avec le même nombre de neutrons : même N Isomères: plusieurs noyaux avec la même constitution des noyaux mais états d énergie différents Les isomères sont qualifiés de «métastables» si la durée de vie du noyau excité > s 2.2. Le défaut de masse et l énergie de liaison Un noyau pèse moins lourd que ses constituants séparés : cette différence de masse est appelée «défaut de masse» m. La masse d un noyau de Z protons et A nucléons est donc : M(A,Z) = Zm p + (A-Z)m n Δm La masse de l atome est définie par : M = Z.(m p+m e) + (A-Z).m n - Δm L énergie correspondant à ce défaut de masse est l énergie totale de liaison des nucléons : ΔE = Δm.c² 69

70 Il s agit de l énergie à apporter pour casser un noyau et le séparer en ses constituants. L énergie de liaison moyenne par nucléon ΔE/A informe sur la stabilité des noyaux : plus ΔE/A est élevée, plus le noyau est stable (car plus il faut d énergie pour éclater le noyau) 2.3. Stabilité des noyaux L énergie de liaison moyenne par nucléon désigne l énergie à apporter pour arracher un nucléon du noyau. Plus cette énergie est grande, plus le noyau est considéré comme stable. On distingue ainsi 3 catégories de noyaux selon leur stabilité : Les noyaux légers se stabilisent par fusion nucléaire. Par exemple, la fusion de 2 noyaux de Deutérium ( 2 D : E/A = 1 MeV/nucléon) en un noyau d hélium ( 4 He : E/A = 7 MeV/nucléon) libère 6 MeV/nucléon. Les noyaux intermédiaires sont les plus stables. Le Fer est le noyau le plus stable. Les noyaux lourds se stabilisent par fission nucléaire. Par exemple, la fission d un noyau d uranium (E/A = 7,3 MeV) en 2 noyaux plus légers (E/A = 8,3 MeV/nucléon) libère 1 MeV/nucléon. La stabilité des noyaux varie en fonction de leur répartition en neutrons (N) et en protons (Z). Il existe peu de noyaux stables : seulement 275. Pour qu un noyau léger soit stable, il faut que N=Z, exemple le carbone 12 (N=Z=6) Lorsque Z>20, il faut un excès de neutrons (N>Z) pour que le noyau soit stable afin de limiter l effet de répulsion coulombienne entre les protons. Dès que A > 209, tous les noyaux sont instables. Les noyaux instables sont dits radioactifs et vont se désintégrer spontanément : Les noyaux ayant un excès de neutrons réalisent une émission - Les noyaux ayant un excès de protons réalisent une émission + ou une capture électronique Les noyaux ayant un excès de neutrons et de protons réalisent une émission 70

71 3. Les transformations radioactives Des noyaux sont instables dès lors qu ils comportent un excès de neutrons et/ou de protons ou que leurs nucléons sont situés sur un niveau d énergie excité. Définition de la radioactivité : transformations (ou désintégrations) de noyaux instables aboutissant avec une émission d énergie à des noyaux (plus) stables. Il existe 3 types de transformations radioactives : Les transformations isobariques : le nombre de nucléons A du noyau fils reste constant par rapport au noyau père : -, +, Capture électronique. Les transformations par partition : A ne reste pas constant : fission du noyau ou départ d une particule Les transformations isomériques : A et Z constants mais le niveau d énergie nucléaire change : émission, conversion interne, création de paires (pas détaillées ici) La désintégration β - Elle a lieu lorsqu un noyau présente un excès de neutrons. Un neutron se transforme en un proton et un électron. Les particules émises sont un électron (particule β - ) et un antineutrino. L antineutrino est une particule sans masse ni charge mais emporte de l énergie. X(A, Z) Y(A, Z+1) + β - + antineutrino L énergie libérée par la réaction est partagée de manière aléatoire entre l antineutrino et l électron. Pour une désintégration donnée, l énergie totale libérée est toujours la même mais la répartition entre l énergie emportée par l électron et celle emportée par l antineutrino est aléatoire : l énergie emportée par chaque particule peut avoir n importe quelle valeur comprise entre 0 et l énergie totale libérée par la transformation. On dit que le spectre des particules est continu, celles-ci n ont pas toutes le même niveau d énergie lorsque l on compare plusieurs désintégrations identiques. L énergie finale libérée par la réaction est: Qβ - = Δm.c² =(m(a, Z) m(a, Z+1)).c² Y. NB : ici Δm ne correspond pas au défaut de masse mais à la différence de masse atomique entre X et La désintégration β - est une transformation isobarique: le nombre de nucléons reste constant La désintégration β + Due à un excès de protons. Un proton se transforme en un neutron et un positon. Les particules émises : un positon (particule β+) et un neutrino. Le neutrino : particule sans masse ni charge mais emporte de l énergie. 71

72 X(A, Z) Y(A, Z-1) + β + + neutrino L énergie libérée par la réaction est partagée de manière aléatoire entre le neutrino et le positon. On dit donc que le spectre des particules est continu pour les mêmes raisons que pour la désintégration -. L énergie finale libérée par la réaction est: NB : m e désigne la masse d un électron Qβ + =(Δm-2m e).c² =[(m(a, Z) m(a, Z-1))-2m e].c² Qβ + = (Δm-2m e).c² Qβ + = Δm.c² -2m e.c² Le but de la désintégration est que l état final soit moins énergétique que l état initial : il y a de l énergie qui est libérée donc le bilan énergétique est positif : Qβ + > 0 On a donc Δm.c² - 2m e.c² > 0 Soit Δm.c² > 2m e.c² La différence d énergie entre l état initial et l état final (Δm.c²) doit être supérieure à 2 fois l énergie de l électron (2m e.c²) : la transformation β + a donc un seuil de 2m e.c² (c est le minimum d énergie qui doit être libéré pour que la transformation β + soit réalisable) Il y a compétition entre cette transformation et la capture électronique. La désintégration β+ est une transformation isobarique: le nombre de nucléons reste constant La capture électronique Excès de protons Le noyau capture un électron de son cortège pour transformer un proton en un neutron : é + p n. Il y a une seule particule émise : le neutrino qui emporte la totalité de l énergie libérée par la réaction. é X 0 A A 0 1 Z Z 1 0 L énergie libérée par la réaction est : Q CE = m.c² - El(K) = (m(a,z)-m(a,z-1)).c² - El(K) NB : El(K) est l énergie de liaison de l électron sur la couche K. Pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment pour la réaction β +, il faut que : Δm.c² - El(K) > 0 Δm.c² > El(K) La différence d énergie entre l état initial et l état final (Δm.c²) doit être supérieure à l énergie de liaison de l électron sur la couche K (El(K)) : la capture électronique a donc un seuil qui a pour valeur l El(K) (c est le minimum d énergie qui doit être libéré pour que la capture électronique soit réalisable) On notera néanmoins que le seuil de la capture électronique est beaucoup plus bas que celui de la désintégration β +. Il se peut que, d un point de vue énergétique, aucune des deux réactions ne soit possible, que seule la capture électronique soit possible, ou bien que capture électronique et désintégration β + soient possibles (NB : les transformations à haut potentiel énergétique privilégieront une désintégration β+) Y La capture électronique est une transformation isobarique: le nombre de nucléons reste constant. 72

73 La place libérée sur la couche K par l électron capturé engendre des réarrangements du cortex électronique : un électron d une couche supérieure vient le remplacer. Étant donné que celui-ci se place sur une couche électronique plus éloignée du noyau donc plus énergétique, il y a émission d un rayon X caractéristique. Cet électron qui s est déplacé peut à son tour être remplacé par un électron placé sur une couche d un niveau énergétique plus élevé et les émissions de rayons X peuvent ainsi se multiplier. Ces rayons X émis à proximité du noyau peuvent interagir avec des électrons situés en périphérie de l atome : ces électrons peuvent «utiliser» l énergie des rayons X pour quitter leur couche électronique et être émis : ce sont les «électrons Auger». Les rayons X et les électrons Auger sont donc les 2 événements secondaires pouvant survenir après la capture électronique L émission α C est une transformation par partition Le noyau contient un excès de protons et de neutrons. Pour une plus grande stabilité, le noyau émet une particule α : un noyau d hélium constitué de 2 protons et de 2 neutrons. L énergie libérée par la réaction est : X(A,Z) Y (A-4,Z-2) + Q α = (Δm-m α ) x c² L énergie libérée par la réaction est partagée entre la particule α et le noyau fils. La particule α est lourde donc, lorsqu elle est émise, le noyau fils subit une force qui le pousse dans le sens opposé : c est l énergie de recul. L énergie restante est emportée par la particule α et correspond à : E α = Q α x [m Y/(m Y + m α)] NB : m Y est la masse du noyau fils Le spectre des particules α est un spectre de raies : pour une transformation donnée, la répartition de l énergie entre celle emportée par la particule et celle emportée par le noyau fils est toujours la même (le noyau fils emporte l énergie de recul et la particule α le reste). 4. Intérêt des rayonnements en médecine L utilité principale des rayonnements est l imagerie. La tomodensitométrie (TDM ou Scanner) : il s agit d une imagerie morphologique : le scanner permet de délimiter avec une excellente résolution les différentes structures anatomiques en émettant des rayons X à travers une partie du corps et en récupérant ces mêmes rayons qui ont plus ou moins traversés les différentes structures. La scintigraphie : il s agit d une imagerie métabolique : un produit radioactif (appelé traceur) est injecté au patient et va se placer au niveau d une certaine zone en fonction de la nature de ce produit et du métabolisme de la zone cible. Les rayonnements du traceur sont ensuite détectés ce qui permet la localisation de zones métaboliques cibles. Un traceur très utilisé est le Technétium 99m ( 99m Tc) car sa demi-vie est courte (6h) ce qui permet au patient de ne pas contenir de produit radioactif trop longtemps. L inconvénient de cette courte demivie est que le 99m Tc doit être synthétisé sur le lieu de l injection et peu de services sont équipés pour le faire. Les services de médecine nucléaire sont alors livrés en générateur de Molybdène ( 99 Mo), un 73

74 produit radioactif d une demi-vie plus longue (67h) qui se désintègre en 99m Tc. Le 99m Tc se désintégrant plus rapidement que le 99 Mo, l activité du 99m Tc formé dans ce générateur atteint rapidement un maximum et il faut vider le générateur de son 99m Tc régulièrement afin d utiliser le 99m Tc formé pour des scintigraphies plutôt qu il se désintègre dans le générateur de 99 Mo. ( 99 Mo 99m Tc 99 Tc). Pour rentabiliser au maximum le générateur et récupérer une activité maximale pour la désintégration 99m Tc 99 Tc, il faut réaliser l élution (= retirer du générateur le 99m Tc formé) toutes les 22,9h. La Tomographie par émission de positons (TEP) est également une imagerie métabolique car elle repère des zones cibles grâce à l injection d un produit radioactif au patient. Cependant la TEP est plus résolutive que la scintigraphie : le produit injecté est un émetteur de positons qui interagissent avec les électrons contenus dans le corps : les deux particules de charge opposée s annihilent et permettent la formation de deux photons de 510 kev chacun (énergie correspondant à la masse d un électron au repos). Ce sont ces deux photons émis à 180 l un de l autre qui sont détectés par la caméra permettant la reconstitution d une image. L imagerie multimodale associant image morphologique et métabolique (TDM+TEP) permet de localiser avec une excellente résolution des lésions cibles comme des tumeurs. Les rayonnements peuvent aussi être utilisés en radiothérapie dans le cadre du traitement des cancers. Quelle que soit leur utilisation, les rayonnements peuvent devenir dangereux si l irradiation est répétée ou prolongée : il est essentiel de calculer la dose minimale du rayonnement pour être efficace et le moins nocif possible. 74

75 Exercice 1 Cet exercice porte sur les QCM 1 et 2. On considère l' 15 O (Z=8) se désintégrant en 15 N (Z=7) Exercices 1) A propos de cette désintégration, indiquez la ou les réponse(s) vraie(s) : A. L oxygène 15 présente un excès de neutrons. B. Un neutrino est forcément émis. C. Un électron est forcément émis. D. Dans un second temps, des photons X peuvent être émis. E. Il s agit d une désintégration isomérique. 2) En considérant qu il s agit d une désintégrationβ+ avec un bilan énergétique Q β+, indiquez la ou les réponse s) vraie(s) : A. Q β+ = 0,818 MeV B. Q β+= 1,73 MeV C. Q β+< 0 MeV donc la désintégration β+ est impossible dans cette situation. D. Le spectre énergétique des particules est continu. E. Si l oxygène 15 est injecté à un patient dans le cadre d une TEP, 2 photons de 1,02 MeV chacun pourront être détectés à 180 l un de l autre. Données Masses atomiques (état fondamental) : 15O: uma 15N: uma Masse d'un électron au repos : MeV/c² 1 uma = MeV/c² Exercice 2 Cet exercice porte sur le QCM 3. Soit 3 He (Z=2), 4 He (Z=2) et 5 He (Z=2) (On négligera l'énergie de liaison des électrons pour les calculs nécessaires) 3) A propos de la stabilité de ces trois isotopes de l hélium, indiquez la ou les réponse(s) vraie(s) : A. 3 He est l isotope le plus stable B. 4 He est l isotope le plus stable C. 3 He est moins stable que 5 He D. 5 He est l isotope le moins stable E. Aucune des réponses précédentes n est vraie. Données Masses atomiques (état fondamental) : 3 He : uma m (proton) : uma 4 He : uma m (neutron) : uma 5 He : uma m (électron) : uma 1 uma = MeV/c² Exercice 3 Cet exercice porte sur le QCM 4. Le 106 Rh (Z=45) donne le 106 Pd (Z=46) par désintégration β-. 75

76 4) Parmi les propositions suivantes, la (les) quelle(s) est (sont) juste(s)? A. C'est une transformation isobarique. B. Le 106 Rh présente un défaut de neutrons. C. Il en résulte l'émission de positons. D. Il en résulte la transformation d'un neutron en un proton. E. L'énergie maximale emportée par la particule β- étant de MeV, le spectre présente une raie unique à MeV. Données Masses atomiques (état fondamental) : 106 Rh : uma 106 Pd : uma m (électron) : uma 1 uma = MeV/c² Exercice 4 Représenter un repère orthonormé avec [nombre de protons (Z)] en abscisse et [nombre de neutrons (N)] en ordonnée. 1) Tracer la droite Z=N, la droite des isotopes, des isobares, des isotones. 2) Tracer la zone de stabilité des noyaux. 3) Indiquer la zone de désintégration β+, β- et α. Exercice 5 Cet exercice porte sur le QCM 5. La fission de l'uranium 235 libère de l'énergie et peut être obtenue en bombardant son noyau avec un neutron selon la relation suivante : 235 U + 1 n 141 Ba + 92 Kr n 5) Quelle est en joules l'énergie E libérée par la fission de 10kg d'uranium 235? A. E < 10 J B. 10 E < 10 5 J C E < J D E < E. E J Données: Masses atomiques : 235 U (Z=92) : uma 141 Ba (Z=56) : uma 92 Kr (Z=36) : uma m (proton) : uma m (neutron) : uma m (électron) : uma 1 uma = MeV/c² 1 ev = 1, J Nombre d'avogadro Na = mol -1 76

77 Questions de cours 6) Quelle(s) désintégration(s) peut (peuvent) avoir lieu lorsqu un noyau présente un excès de protons uniquement : A. Désintégration β + B. Désintégration C. Capture électronique D. Désintégration β - E. Une désintégration isomérique 7) A propos des deux noyaux isotones, indiquez la ou les réponse(s) fausse(s) : A. Ces deux noyaux ont le même nombre de protons B. Ces deux noyaux ont le même nombre de masse C. Ces deux noyaux ont le même numéro atomique D. Ces deux noyaux ont le même niveau d énergie E. Ces deux noyaux ont le même nombre de neutrons 8) A propos des imageries médicales, indiquez la ou les réponse(s) vrai(s) : A. TDM signifie Tomographie par Désintégration Massive. B. L élution d un générateur signifie le retrait du générateur des noyaux non radioactifs. C. Un traceur émettant des positions peut être utilisé dans le cadre de la TEP. D. Lors d une TEP, ce sont des électrons qui sont détectés pour reconstituer des images du corps du patient. E. L imagerie est la seule utilisation des rayonnements en médecine. Réponses : 1) BD 2) BD 3) BC 4) AD 5) D 6) AC 7) ABCD 8) C 77

78 UE3 Biophysique Notions élémentaires (Mr Saulnier) 1. Notions sur les équilibres des phases 1.1 Matière condensée non fluide La matière peut se trouver dans différents états définis par la densité, grandeur sans unité car la masse volumique d un liquide ou d un solide est comparé à celle de l eau à 4 C, quant aux gaz, leur masse volumique est comparée à celle de l air pour une température et une pression similaire. La matière condensée peut de trouver sous la forme de : Solide non cristallin Cristal (solide parfait), qui est un motif chimique répété dans les 3 directions de l espace, défini par les 14 réseaux de Bravais (qui ne sont pas à connaître par cœur). Ces cristaux peuvent être parcourus de défauts qui sont au nombre de 3 : lacune, substitution et interstitiel. Un cristal «classique» lacune substitution interstitiel L état de cristal liquide est un état de matière intermédiaire entre l état solide et l état liquide. Il existe une classification simplifiée pour ces cristaux liquides : Orientation mais pas d ordre : nématique (pas de plan de chevauchement) Orientation mais ordre : smectique A (vertical) et C (penché) Orientation avec propriétés chirales : cholestériques (enroulement de l orientation des molécules) Les phases de ces cristaux liquides sont soit uniquement dépendante de la température : thermo tropisme ou alors elles sont dépendantes de la concentration et de la température : lyotropisme (on parle également de lyotropisme lorsque les phases dépendent seulement de la concentration). Matière condensée fluide La phase liquide est un état de matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible. L eau sert de références pour diverses grandeurs physiques (température Celsius : défini 0 et 100 par les températures de solidification et d évaporation, calorie, les densités relatives, le litre). L eau est aussi un liquide particulier car on observe entre autre une augmentation du volume lors de la solidification, l au est la plus contractée à une température de 4 C. Les transitions de phases Les transitions de phase sont à connaître par cœur : 78