CHAPITRE 2 : L UNITE CHIMIQUE DU VIVANT

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1 Sciences de la Vie et de la Terre Classe de 2 nde générale et technologique Thème 1 : La Terre dans l univers, la vie et l évolution du vivant La Terre, une planète habitée CHAPITRE 2 : L UNITE CHIMIQUE DU VIVANT Les conditions qui règnent sur Terre ont permis l épanouissement de la vie. Celle-ci prend des formes extraordinairement variées depuis une bactérie (moins d un millième de millimètre) jusqu au séquoia géant (arbre haut de 80 mètres). Tous ces êtres vivants sont constitués de matière disponible sur le globe terrestre. Ø En quoi la matière vivante est-elle différente de la matière inerte? Ø Quels sont les constituants de la matière vivante? Comment sont-ils agencés? I/ La composition chimique du vivant Qu ils soient végétaux ou animaux, les êtres vivants sont un assemblage de cellules faites de plusieurs molécules reliées entre elles et composées d atomes. Dans le tableau périodique des éléments, les atomes sont classés en fonction de leurs propriétés chimiques et de leur numéro atomique (nombre de protons de l atome). Un élément chimique est une entité qui compose toute matière existante. Il s'agit de l'ensemble des atomes existants. Les différents atomes sont caractérisés par le nombre de protons dans leur noyau atomique qui définit ses propriétés chimiques. Ainsi, le carbone, l'hydrogène, l oxygène et l azote sont des éléments chimiques, de même que le fer, le cuivre, l'argent, l'or, etc. Chacun est conventionnellement désigné par un symbole chimique, tel que C, H, O, N ou encore Fe, Cu, Ag, Au etc. Il existe à ce jour 118 éléments chimiques que l'on classe, selon leurs caractéristiques atomiques, dans le tableau périodique des éléments. 1

2 L'ensemble des êtres vivants, ainsi que les roches et autres matières inertes qui constituent le monde minéral, sont constitués des mêmes éléments chimiques (les mêmes atomes) présents sur le globe terrestre. On parle de parenté chimique entre le vivant et le non-vivant car les éléments chimiques sont les mêmes dans les deux cas. Les tableaux ci-dessous montrent la composition d un basalte (une roche de la croûte terrestre) et la composition chimique d un être humain. Tout comme les objets inertes, les êtres vivants sont constitués d éléments chimiques disponibles sur le globe terrestre, mais dans des proportions différentes : Ø Au sein du monde inerte, les éléments les plus représentés sont l oxygène (O), le fer (Fe), le silicium (Si) et le magnésium (Mg). Ø Dans la biosphère (ensemble des êtres vivants) : on distingue quatre éléments majeurs : l oxygène (O), le carbone (C), l hydrogène (H) et l azote (N), auxquels s ajoutent en plus faible proportion le phosphore (P) et le souffre (S) => L acronyme CHONPS est souvent utilisé pour caractériser les principaux éléments constitutifs de la matière vivante (ou matière organique). Ces éléments chimiques s assemblent pour former des molécules, c est à dire un ensemble d atomes unis les uns aux autres par des liaisons chimiques. On peut ainsi distinguer : Ø Les molécules organiques : molécules comportant au moins un atome de carbone relié à des atomes d hydrogène, auxquels s ajoutent d autres éléments chimiques. Les êtres vivants sont composés quasi-exclusivement de molécules organiques. Ø Les molécules minérales, comme l eau ou les sels minéraux 2

3 La matière organique contenant au moins l élément carbone, elle est généralement combustible. Cela signifie qu avec de l énergie, elle peut se combiner à l oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion. Par exemple, la réaction ci-dessous correspond à la combustion du méthane (CH 4 ) : L eau, molécule minérale prépondérante du vivant La molécule d eau est composée d un atome d oxygène associé à deux atomes d hydrogène. Ce n est donc pas une molécule organique mais une molécule minérale. L eau est la molécule prépondérante dans la constitution des êtres vivants : elle représente 70 à 75% de la masse des êtres vivants. Cette molécule participe à la majorité des réactions chimiques de notre organisme et est un élément stabilisant majeur du monde vivant. La présence d eau peut être mise en évidence par le test de reconnaissance du sulfate de cuivre anhydre. En présence d eau le sulfate de cuivre anhydre (blanc) s hydrate et se colore en bleu. La réaction est la suivante : Sulfate de cuivre anhydre (poudre blanche) + H 2 O à Sulfate de cuivre hydraté (poudre bleue) 3

4 Le procédé est réversible. Il suffit de chauffer le sulfate de cuivre hydraté pour le faire redevenir anhydre. BILAN : Comme la matière du monde minéral, la matière des êtres vivants est constituée d éléments chimiques disponibles sur la Terre. Cependant la matière vivante se distingue de la matière minérale par sa richesse relative en quelques éléments caractéristiques (CHONPS). Ces éléments sont les éléments principaux des molécules organiques, constitutives du vivant. Une molécule organique comporte au moins un atome de carbone relié à des atomes d hydrogènes. La matière vivante est également caractérisée par une forte teneur en eau, nécessaire au bon déroulement de nombreuses réactions chimiques. II/ Les grandes familles de molécules organiques Les molécules organiques sont représentées par quatre grandes familles de molécules : les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques. a) Les glucides Structure et rôle des glucides Les glucides, plus couramment appelés les sucres, sont majoritairement constitués de carbone (C), d hydrogène (H) et d oxygène (O). Le nombre d atomes de carbone est équivalent au nombre d atomes d oxygène. Ils ont un rôle primordial chez les êtres vivants car ils fournissent l énergie nécessaire à nos cellules pour fonctionner. Ils peuvent s assembler sous la forme de chaînes, plus ou moins longues. On distinguer deux catégories de glucides : les glucides simples et les glucides complexes. Les glucides simples sont des petites molécules glucidiques (comme le glucose ou le fructose) peuvent s assembler pour former des macromolécules (ou glucides complexes) comme l amidon (molécule de réserve que l on trouve chez les plantes), la cellulose (macromolécule végétale ne subissant pas la digestion) ou le glycogène (macromolécule animale constituée de l assemblage de molécules de glucose). Le glucose, de formule C 6 H est l un des glucides essentiels au bon fonctionnement de nos cellules. Représentation linéaire de la molécule de glucose 4

5 Mise en évidence expérimentale Différents tests sont possibles selon si l on veut mettre en évidence la présence de glucides simples ou de glucides complexes. Mise en évidence de glucides simples comme le glucose ou certains diholosides (deux molécules associées) La liqueur de Fehling : La liqueur de Fehling est un réactif employé pour déceler la présence de certains glucides solubles appelés sucres réducteurs. La liqueur de Fehling est une solution bleue. Elle doit être chauffée pour pouvoir réagir. L apparition d un précipité rouge brique traduit la présence de glucides simples. Le test à la bandelette glucose : Il suffit de placer une bandelette dans la solution à tester. Une coloration apparaît et doit être comparée aux couleurs de référence. Plus la couleur est foncée, plus la concentration en glucose est importante. Mise en évidence de glucides complexes comme l amidon ou le glycogène Le test à l eau iodée (solution de lugol) : Cette solution est de couleur jaunâtre. Il suffit d ajouter quelques gouttes d eau iodée pour révéler la présence de glucides complexes. Elle peut être utilisée aussi bien sur des solides que sur des liquides. En présence de glucides complexes, l eau iodée prend une coloration bleu-nuit ou brune. 5

6 b) Les protides Structure et rôle des protides Les protides sont composés de carbone (C), d hydrogène (H), d oxygène (O), d azote (N) et de soufre (S). Selon leur complexité on peut distinguer les acides aminés, les peptides ou les protéines. Les différents acides aminés s organisent dans l espace pour former des protéines. Leur forme est très variable (c est d ailleurs ce qui détermine leur fonction). Les protéines jouent de nombreux rôles dans la cellule : structure cellulaire, fonctionnement des muscles, réactions chimiques, transmission de signaux etc. Mise en évidence expérimentale La réaction du biuret caractérise la présence de peptides. Pour cela, il faut faire réagir du sulfate de cuivre (CuSO 4 ) et de la soude (NaOH). L'apparition d'une coloration violette sur le fragment de matière testé est l'indice d'une réaction positive. Elle ne permet pas de mettre en évidence la présence d'acides aminés. Elle s'effectue sur un solide ou sur un liquide c) Les lipides Structure et rôle des lipides Comme les glucides, les lipides sont composés de carbone (C), d hydrogène (H) et d oxygène (O). On les distingue des glucides par l ordre d assemblage des atomes ainsi que la proportion de chacun (Il y a plus d atomes de carbones que d atomes d oxygène). Ils s assemblent sous la forme de longues chaînes carbonées. Les lipides sont les constituants essentiels des membranes cellulaires et ce sont des réserves énergétiques. Il existe plusieurs sortes de lipides : les acides gras, des lipides simples (comme les glycérides) ou des lipides plus complexes, comme les triglycérides (graisses animales et huiles végétales), les phospholipides (membranes cellulaires) ou encore les stéroïdes (vitamine D, hormones). 6

7 Acide arichidonique, exemple d acide gras essentiel Mise en évidence expérimentale Les lipides sont des corps gras. Ils sont caractérisés par leur insolubilité dans l eau. Le test de la tâche : Il peut se réaliser aussi bien à partir de solides que de liquides. L'apparition d'une tâche translucide permanente traduit la présence de lipides. On peut également faire une coloration au rouge Soudan III. En présence de lipides, une coloration rouge apparaît. a) Les acides nucléiques Structure et rôle des acides nucléiques Les acides nucléiques contiennent du carbone (C), de l hydrogène (H), de l oxygène (O), de l azote (N) et du phosphate (P). Les acides nucléiques sont principalement représentés par l ADN (Acide DésoxyRibonucléique) et l ARN (Acide RiboNucléique). Ils constituent le support de l information génétique. Ils sont généralement assemblés sous la forme d hélices. Mise en évidence expérimentale Des constituants de bases de l ADN et l ARN Le vert de méthyle permet de colorer l ADN en vert et la pyronine colore l ARN en rose. 7

8 Tableau récapitulatif Atomes Exemples de molécules et localisation Structure trimensionnelle Rôle Mise en évidence expérimentale Glucides Protides Lipides Acides nucléiques C, H, O Nbre C = nbre O Cellulose (paroi des végétaux) Amidon (végétaux) Glycogène (animal) Chaîne(s) + ou longue(s) Source d énergie pour la cellule Liqueur de Fehling ou bandelettes glucose / Eau iodée (lugol) C, H, O et N C, H et O Nbre C > Nbre O C, H, O, N et P Collagène (peau Acide gras ADN, ARN Actine (muscle) Triglycérides (graisses animales) Phospholipides (membrane cellulaire) Forme complexe Chaîne Hélice Différentes Rôle structural Information fonctions cellulaires (membranes) et génétique sources d énergie (stockage) Réaction du biuret Test de la tâche et Vert de méthyle / coloration Soudan Pyronine III BILAN : Les lipides, les glucides, les protides et les acides nucléiques sont les molécules caractéristiques du monde vivant. Ils constituent la matière organique. Les lipides et les glucides sont formés de carbone, hydrogène et oxygène, les protides contiennent en plus de l azote et du soufre, les acides nucléiques du phosphore. Ces molécules organiques ont des fonctions bien particulières et peuvent être mises en évidence par différents tests. Un indice de la parenté des êtres vivants Tous les êtres vivants sont constitués d une majorité d eau (70-75%), de molécules organiques et de molécules minérales. Les proportions en lipides, protides et glucides peuvent varier, mais ils sont présents chez tous les êtres vivants. De même, les éléments chimiques constituant la matière organique sont les mêmes chez tous les êtres vivants. L unité chimique des êtres vivants est donc un indice de leur parenté. 8

9 BILAN GENERAL DU CHAPITRE Les êtres vivants sont constitués d éléments chimiques disponibles sur le globe terrestre. Leurs proportions sont très différentes dans le monde minéral et dans le monde vivant. Ces éléments chimiques (principalement les atomes C, H, O, N, P et S) se répartissent dans les diverses molécules constitutives des êtres vivants, formant les molécules organiques. Une molécule organique contient au moins un atome de carbone associé à des atomes d hydrogène. Les êtres vivants se caractérisent ainsi par leur matière carbonée et leur richesse en eau. L unité chimique des êtres vivants est un indice de leur parenté 9

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