Module 2. Chimie de la Vie

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1 Module 2 Chimie de la Vie 2.1 Les atomes et les molécules A. La matière Tu as déjà vu que tout ce qui occupe de l'espace et qui a une masse se nomme. On la retrouve sous trois états principaux:,,. N.B. La différence entre la matière vivante et la matière non vivante, c'est la façon qu elle est organisée. j' B. Les Éléments et les atomes Les principaux éléments chimiques qui sont reliés à la vie sont: oxygène Carbone Hydrogène Azote Calcium Phosphore Potassium Soufre Sodium Chlore Les cinq éléments qui sont en caractères gras sont les plus importants bien que les cinq autres le soi aussi. Ajoute les symboles chimiques de ces 10 éléments. C. Les liaisons ioniques et covalentes Pour s unir les éléments vont quelques fois donner et recevoir des électrons. Celui qui donne ses électrons devient positif et se nomme cation tandis que celui qui reçoit les électrons se nomme anion et devient négatif. Lorsque l anion et le cation s unissent, ils forment des liaisons ioniques. (sel) Dans certains, au lieu de donner ou recevoir des électrons afin de former des ions, les éléments se partagent les électrons. C'est ce qu'on appelle les liaisons covalentes. La molécule d'eau en est un exemple.

2 2.2 Importance de l'eau pour les êtres vivants La Polarité de l'eau La plupart des organismes sont composées de 65 à 95% d'eau liquide. Nous savons que la formule chimique de l'eau est H 2 O. Donc, ça prend deux atomes d'hydrogène pour se combiner avec un atome d'oxygène pour faire une molécule d'eau. Les liaisons qui unissent ces atomes sont des liaisons covalentes. C'est-à-dire qu'il n'y a pas d'électrons d'échangés mais bien de partagés. Dans les liaisons covalentes, il arrive parfois que le partage d'électrons ne soit pas égal. Dans une molécule d'eau par exemple, l'atome d'oxygène exerce sur les électrons partagés, une attraction plus grande que celle de l'atome d'hydrogène. Donc, ces électrons passent plus de temps près de l'atome d'oxygène lui donnant une faible charge négative et par conséquent une faible charge positive à l'hydrogène. On appelle molécules polaires une molécule où les chargent ne sont pas distribuées de façon égale. Cette molécule d'eau se retrouve donc avec un côté positif et un côté négatif ce qui signifie qu'elle peut attitrer d'autres molécules polaires dont l'eau. Elle peut également dissoudre d'autres molécules telles le sucre et le sel. Lorsque les molécules d'eau attirent les ions des composés ioniques, si cette force d'attraction est assez forte, ceux-ci se dissocient et se dissolvent dans l'eau. (P.627 Bio 11) Les molécules d'eau s'attirent aussi les unes les autres. Les atomes d'hydrogène de charge positive attirent les atomes d'oxygène de charge négative. Cette attraction forme des liaisons d'hydrogène. Une liaison d'hydrogène est cependant moins forte qu'une liaison chimique (environ 5% de la force d'une liaison covalente). C'est même liaison d'hydrogène se retrouvent aussi dans les molécules des protéines et de l'adn. L'eau est aussi attirée par les ions des surfaces solides. Ça lui permet entre autre de remonter dans la tige des plantes pour gue les feuilles puissent recevoir de l'eau provenant du sol. Les composés qui interagissent avec l'eau en se dissolvant sont appelés hydrophiles tandis que ceux qui n'interagissent pas avec l'eau sont appelés hydrophobes. Les composés non polaires sont hydrophobes, ils sont donc insolubles. L'huile est un exemple d'un hydrophobe parce qu'elle ne se dissoudra pas dans l'eau. L eau possède aussi d'autres caractéristiques particulières qui en font la molécule la plus importante de toute la cellule. Ses propriétés chimiques uniques lui permettent de transporter les

3 molécules dissoutes de l'intérieur à l'extérieur de la cellule et vice-versa. Elle agit comme matière première dans les réactions cellulaires essentielles. Elle joue aussi le rôle de lubrifiant entre les organes, les tissus et les cellules. Voici une liste de ses propriétés qui la rendent unique : - elle reste liquide à des températures où la plupart des substances formées de petites molécules sont à l'état gazeux - elle dissout la plupart des substances qui jouent un rôle dans les processus vitaux (ex -.oxygène, dioxyde de carbone, glucides, acides aminées) - elle change de température progressivement ce qui aide à protéger les cellules contre le changement de température trop rapide; - elle est la seule substance pure qui augmente en volume quand elle passe de l'état liquide à l'état solide. 2.3 Composés organiques Notions de base en chimie organique A. Les composés organiques Une fois que l'eau est retirée d'un organisme, il reste principalement du carbone et des traces d'hydrogène, d'azote et d'oxygène. C'est quatre éléments forment essentiellement 99% de la masse totale d'une cellule. Il existe des millions de composés organiques différents. Les composés du carbone pur et qui n'ont pas d'hydrogène comme les gaz carboniques et le carbonate de calcium sont considérés comme des composés inorganiques. Toutefois, les composés inorganiques font partie intégrante de la vie. B. Le carbone Le plus important des atomes pour la vie est le carbone. La diversité de la vie dépend grandement de la polyvalence de cet atome. Étant donné qu'il a quatre électrons de valence, il peut faire des liaisons covalentes avec quatre atomes différents ou même d autres carbones. Les principaux atomes avec lesquels il s'unira sont : l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le phosphore, le soufre et le carbone. Sa capacité de former des liaisons avec d'autres atomes de carbone lui permettent de créer des structures géométriques différentes. Il y aura des chaînes linéaires (droite), des chaînes ramifiées ou des chaînes cycliques (en anneaux) C----- C----- C C-----C Linéaire C C -----H Ramifiée C Cyclique

4 Ces formes de structures diversifiées servent aussi de squelette de nombreux composés que l'on retrouve dans les cellules. Elles peuvent être formées de un ou plusieurs atomes de carbone. Elles peuvent aussi contenir plusieurs milliers de ces atomes. On les appelle alors macromolécules. Les petites sous unités gui composent ces macromolécules se nomment monomères. Les longues chaînes de monomères qui forment les macromolécules se nomment polymères. Les squelettes carbonés peuvent être différents les uns des autres mêmes s'ils ont la même formule chimique. Les composés ayant la même formule chimique mais une structure différente se nomme isomère. Le fructose et le galactose sont des isomères du glucose. Les trois ont la même formule chimique soit : C 6 H 12 O 6. Il est donc plus facile d'utiliser des schémas de ces composés pour discuter avec d'autres scientifiques étrangers puisque la formule est identique pour les trois. ÇH 2HO CH 2OH H OH glucose H OH galactose Condensation et hydrolyse Les différents polymères que l'on retrouve dans les êtres vivants se forment de la même façon. Un monomère perd un ion d'hydrogène (H+) et un autre perd un ion d'hydroxyde (OH-). Une liaison covalente se forme entre les deux atomes qui ont perdu leurs ions. Par conséquent il se forme aussi une molécule d'eau. L'union de deux molécules par le retrait d'une molécule d'eau est appelée condensation. OH--C-C-H HO-C-C-H H 2 0 H-C-C-C-C-H

5 Inversement, les polymères se séparent par l'ajout d'eau. Ce processus se nomme hydrolyse. La digestion est une forme d'hydrolyse parce que l'ajout de molécules d'eau brise les liaisons entre les monomères des polymères. OH-C-C-C-C-O + H 2 0 OH-C-C-H HO-C-C-O Les glucides - Composé organique formé de carbone, d'hydrogène e t d'oxygène. - Ils sont nommés aussi hydrates de carbone parce que l'eau ( H 2 0) et le carbone sont toujours présent. - Important pour les organismes parce qu'ils emmagasinent l'énergie nécessaire à la survie de ceux-ci. Toujours 1:2 :1. ÇH 2HO CH 2OH H OH glucose Le glucose, le galactose et le fructose sont des exemples de glucides simples nommés monosaccharides. Ce sont les monomères qui composent tous les glucides. H OH galactose On les retrouve dans le miel et les fruits en autres. Lorsque deux monosaccharides s'unissent, ils forment un disaccharide Si le fructose et le glucose se combinent lors d'une réaction de condensation, ils forment le sucrose qui est une forme naturelle de sucre que l'on retrouve sur notre table (avant qu'il soit transformé) et qui est aussi la principale forme de sucre transporté dans les plantes. Les plus gros glucides sont formés de plusieurs monomères et ont les appelle polysaccharides. Les plantes font des réserves d'énergie sous forme d'amidon qui lui est une forme de polymère de glucose. Chez les animaux, une partie de l'énergie est emmagasinée sous forme de glycogène, un autre polymère de glucose. Quand le corps a besoin d'énergie de façon rapide, le glycogène emmagasiné dans le foie et dans les muscles se décompose rapidement par hydrolyse. Pour ce qui est du glucose, il libère de l'énergie lorsqu'il se décompose dans les muscles dans le processus de la respiration cellulaire. Les cellules utilisent l'oxygène et le glucose pour en faire des molécules d'énergie nommée ATP.

6 Sous-classes principales Exemples Fonctions Sous-classe (monosaccharide) : sucre simple (monomère) Disaccharide : sucre double (fait de 2 monosaccharides) Polysaccharide sucre complexe (fait de plusieurs monosaccharides de glucose) Glucose, galactose Fructose Sucrose Amidon Glycogène Cellulose énergie énergie énergie dans les plantes Énergie pour les animaux Structure des plantes Les lipides - composés organiques produits par les cellules pour emmagasiner de l'énergie qui servira dans des exercices à longue durée. - sont formés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène mais la proportion d'atome d'hydrogène est beaucoup élevée dans les lipides. - liaisons simples sont des lipides saturés et sont habituellement de forme solide à la température de la pièce et ils sont classés dans la famille des graisses. On les retrouve surtout chez les animaux. - liaisons doubles sont des lipides insaturés et sont sous forme liquide à la température ambiante. Ils sont classés dans la famille des huiles. On les retrouve plus chez les plantes. - souvent appelé triglycérides à cause de leur structure. - sont insolubles parce qu'ils ne sont pas polaires. - on retrouve deux sortes de molécules dans la composition des huiles et des graisses : les acides gras et le glycérol. Dessin

7 Sous-classe (monomère) Exemples Fonctions Tri glycérol (ou graisse) 3 acides gras + 1 glycérol gras, huile Réserve d'énergie dans les animaux et certaines plantes. Cires : nombre varié d'acides gras + longue chaîne d'alcool Cuticule des feuilles Recouvrement hydrofuge des feuilles. Phospholipide : groupe phosphate polaire + 2 acides gras +1 glycérol Stéroïde : 4 anneaux de carbone + des groupes fonctionnels Membrane cellulaire Cholestérol Construction des des membranes plasmiques. Composantes des membranes de cellules eucaryotes Les protéines Une protéine est un polymère complexe formé de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. Elles sont d'importantes composantes structurales et de nutrition pour la cellule parce qu'ils sont réparateurs et constructeurs en plus de servir à la production d'énergie. Les monomères qui composent les protéines sont appelés acides aminés. Il existe 20 différentes sortes d'acide aminé, des réactions de condensation lient les acides aminés par des liaisons covalentes appelées liaisons peptidiques. Une longue chaîne d'acide aminé est un polypeptide. Il peut y avoir des centaines de protéines dans une chaîne polypeptide. Chacune des protéines est composée d'au moins une chaîne polypeptide. Ces chaînes polypeptide peuvent être décomposées par hydrolyse. Les protéines jouent également un très grand rôle dans l'accélération de la digestion (du métabolisme). C est sous la forme d'enzymes qu'elles jouent ce rôle. Sans ces enzymes, les fonctions primordiales de la vie ne seraient pas possible. Parmi toutes les molécules organiques, les protéines sont celles dont la structure varie le plus. C'est pourquoi elles peuvent accomplir plusieurs tâches différentes. Les cheveux, la peau, l'hémoglobine et la toile d'araignée sont tous faits à partir de protéines. Dessins

8 Sous-classe (monomère) acides aminés (Il existe 20 acides aminés et toute protéine est formée d'une combinaison variée en nombre et en séquence de ces 20 acides aminés.) Exemples Anticorps Kératine Enzymes Hémoglobine Fonctions Protéine de défense dans le sang. Protéine structurale dans les cheveux. Protéines catalyseurs de réactions chimiques Protéine qui transporte l'oxygène dans le sang chez les vertébrés. Les acides nucléiques -sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN), Ce sont des polymères ou macromolécules complexes composés de centaines de milliers d'atome. Les monomères se nomment nucléotides. - Les acides nucléiques renferment les messages pour aligner les acides aminés afin de construire les protéines. - L'adénosine triphosphate (ATP) fait aussi partie de cette famille. L'ATP est responsable de fournir une grande quantité d'énergie aux cellules lorsqu'il est brisé par hydrolyse. Par la suite il peut se reconstituer par condensation. Monomère Exemples Fonctions Nucléotide (Unités gui forment les acides nucléiques) ADN (acide désoxyribonucléique) ARN (acide ribonucléique) Matériel génétique de toute forme de vie Matériel génétique apportant les messages de construction de protéines 1) Travail de révision sur 2.2 et 2.3 Enjeux de la Vie p à 10, 12 à 14, 16 à 18, 20 à 23, 28, 32 2) Travail de révision sur tout le module. (feuilles dans cahier)