ifsi, cours de s1 -...

1

Pr. Philippe Karoyan

Laboratoire des Biomolécules

Université Pierre et Marie Curie, Paris 6

Glaxo-Smith-Kline

25 avenue du Québec

91140 Villebon-sur-Yvette

[email protected] cellule

Extrait de « De la chimie in vitro à la

chimie in vivo, Ph. Karoyan, ed.

Ellipses, 2014.

IFSI, cours de S1 : Biologie fondamentale

LES MOLÉCULES DU VIVANT (BIOMOLÉCULES)

S109BIOFOND02PK

PARTIE 2: LES BIOMOLÉCULES DU COMPARTIMENT SANGUIN

A‐ L’EAU (Pr. Pascal FERRÉ)

B‐ LES IONS DU COMPARTIMENT PLASMATIQUE (Pr. Pascal FERRÉ)

C‐ LES LIPIDES (Pr PASCAL FERRÉ)

D‐ LES PROTÉINES (Dr. Dominique RAINTEAU)

E‐ LES GLUCIDES (Pr. Pascal FERRÉ)

F‐ L’OXYGÈNE (Pr. Pascal FERRÉ)

2

LES MOLÉCULES DU VIVANT

Responsable administrative :

Mme Anne-Sophie LOPES

Cabinet du Doyen

Faculté de Médecine Pierre et Marie Curie

91, bd de l'Hôpital75013 PARIS Tél. 01 40 77 95 61

Épreuve UE : QCS (6) +QCM (2)

PARTIE 1: DE L’ATOME AUX BIOMOLÉCULES

A- ÉLÉMENTS, IONS ET MOLÉCULES

B- EAU, SOLUTIONS AQUEUSES ET CONCENTRATION

C-OSMOLARITÉ/OSMOLALITÉ/PRESSION OSMOTIQUE (Hypo, iso, hypertonicité)

D-ACIDITÉ/BASICITÉ/DÉFINITION DU pH

Objectifs de ce premier cours:

1- Identifier et décoder les aspects de la chimie importants pour les IFSI.

2- Donner les bases de la structure des molécules pour comprendre les cours

du Pr. Pascal Ferré (ions, lipides, glucides, oxygène) et du Dr. Dominique

Rainteau (protéines).

3- Un peu de culture générale

3

LES MOLÉCULES DU VIVANT






INTRODUCTION GÉNÉRALE : LA CHIMIE EST-ELLE PERTINENTE POUR LES IFSI?

4


OBJETS D’ÉTUDE:

CHIMIE

THÉORIQUE

CHIMIE

INORGANIQUE

CHIMIE

ORGANIQUE

CHIMIE

PHYSIQUEBIOCHIMIE

BIOLOGIE

Atome

Petite Molécule

< 10 nm

Protéine

10-20 nm

Virus

20-400 nmBactérie

500 nm- 10mHématie

7 m

Cellule eucayote

10-100 m

1 Å

10-10m1 nm

10-9m

10 nm

10-8m

100 nm

10-7m100 m

10-4m

10 m

10-5m

1 m

10-6m

5

1-DÉFINITION DE LA CHIMIE

10 cm

10-1m

Science expérimentale qui étudie la matière, de l’atome aux édifices supramoléculaires

Chimie de l’interface?

Chimie du vivant?

Chimie thérapeutique?


1-DÉFINITION DE LA CHIMIE

CHIMIE

« LA CHIMIE N’EST PAS JUSTE UN OUTIL QUI SERT À FAIRE OU DÉFAIRE

DES LIAISONS, MAIS UN OUTIL IDÉAL POUR COMPRENDRE LE VIVANT »

A. MARQUET (PR.UPMC)

« LA PIRE QUESTION QUE L’ON PUISSE POSER À UN ÉTUDIANT DES

SCIENCES DU VIVANT EST DE LUI DEMANDER UNE DÉFINITION DU VIVANT.»

M. MORANGE (PR.UPMC/ENS)

COURS MORANGE 1993


CHIMIE

22 acides aminés

protéinogéniques1-Lehn, J-M. supramolecular chemistry, 1995, 1st edition, VCH.

2-Balkenhohl et al. Angew. Chem. Int . Ed. Engl. 1996, 35, 2288-2337.

3-Karoyan, P. De la chimie in vivo à la chimie in vitro, 2014, Ellipses.

10180 combinaisons<750 g/mol

107 explorées2

RNA methyltransferase

diversité1

complexité

8

CHIMIE

8


2-CHIMIE D’INTERFACE : CHIMIE THÉRAPEUTIQUE

Flibansérine

Sofosbuvir

9

EXEMPLES DE MÉDICAMENTS

Salicyline

Hétéroside dérivé du glucose

Chine

Grèce (Hippocrate)

Tisane de feuilles de saule blanc

Acide Acétylsalicylique

(Aspirine Bayer, Hoffmann, 1897)

Anti-pyrétique

Antalgique, Anti-inflamatoire

Moins toxique que l’acide!

Acide Salicylique

Écorce (Assyrie, Egypte)

Isolé par Buchner en 1828

Synthèse : Kolbe (1859)

Antipyrétique, analgésique, rhumatisme

Graves brulures d’estomac

10

EXEMPLES DE MÉDICAMENTS

Mode d’action: Acétylation de

la cyclo-oxygénase = Inhibition.

Sir J. Vane, prix Nobel 1982

Salicyline

Hétéroside dérivé du glucose

Chine

Grèce (Hippocrate)

Tisane de feuilles de saule blanc

Acide Acétylsalicylique

(Aspirine Bayer, Hoffmann, 1897)

Anti-pyrétique

Antalgique, Anti-inflamatoire

Moins toxique que l’acide!

Acide Salicylique

Écorce (Assyrie, Egypte)

Isolé par Buchner en 1828

Synthèse : Kolbe (1859)

Antipyrétique, analgésique, rhumatisme

Graves brulures d’estomac

Rôle dans le signal

de la douleur

11

LES ANTI-INFLAMMATOIRES NON STÉROÏDIEN OU AINS

LE PHARMACOPHORE DE CES AINS EST LE BENZÈNE

Ibuprofen (1964) Ketoprofen (1968)

Vioxx (ou rofécoxib, 1999-2004, Merck)

Moins d’effets indésirables gastriques

décès de 28000 personnes de 1999 à 2004

Suite à des infarctus du myocarde.

(paracetamol)

Celebrex

Pfizer

« me too »

AMM : 24/05/2000

12

PHARMACOPHORE?

NATURES DES INTERACTIONS ENTRE UNE CIBLE ET UN CANDIDAT MÉDICAMENT OU COMMENT

DÉVELOPPER UN MÉDICAMENT, EXEMPLE DU TAMIFLU:

Virus de la grippe

Cellule eucaryote

Acide sialique

Métabolisme, Interactions

moléculaires...nécessité de comprendre

l’aspect structural et la réactivité des

fonctions chimiques!

Liaisons ioniques, hydrogène...

complexité

CHIMIE

22 acides aminés

protéinogéniques 1-Lehn, J-M. supramolecular chemistry, 1995, 1st edition, VCH.



107 explorées2


diversité1

Biochimie :

Chimie et Biologie

métabolisme

13


2-CHIMIE D’INTERFACE : LES ÉTUDES DU MÉTABOLISME

14

IMPORTANCE DES ÉTUDES MÉTABOLIQUES

Acetaminophène et p-Aminophenols

Acetanilide

1886

Antifébrine

(Découverte accidentelle

de l’activité analgésique

et antipyrétique par A.

Cahn et P. Hepp.

Toxique)

Phénacetine ou

acétophenetidine

1887

(néphrotoxique,

méthèmoglobinemie)

Acetaminophene (Paracétamol),

1893

Identification de la voie métabolique

(Brodie et Axelrod, 1948)

populaire aux USA depuis 1955

70-90%

75-80%

HNCOCH 3

OH

HNCOCH 3

OC 2H5

NH2

OC 2H5

HNCOCH 3

NH2

Aniline

Obtenue par

distillation

destructive

de l’indigo

Effet

analgésique

Toxique

NH2

acétylation

complexité

CHIMIE

22 acides aminés

protéinogéniques 1-Lehn, J-M. supramolecular chemistry, 1995, 1st edition, VCH.



107 explorées2


diversité1

Biochimie :

Chimie et Biologie

métabolisme

15



16


BIOCHIMIE CLINIQUE OU CHIMIE PATHOLOGIQUE OU CHIMIE CLINIQUE

Domaine de la biologie médicale concerné par l'analyse

des molécules contenues dans les fluides corporels

(sang, liquide céphalo-rachidien, urines,…) et

l'interprétation des résultats de ces analyses dans le but

de caractériser l'origine physiopathologique d'une

maladie.

Biochimie :

Chimie et Biologie

métabolisme

Notion de concentration (g/l, mg/l,…)



3-IDENTIFIER LES ASPECTS DE LA CHIMIE IMPORTANTS POUR LES IFSI PAR ANALYSE DE

FAITS DIVERS:

(Source AFP)

Mort d’Ilyès : “le chlorure de magnésium n'aurait jamais dû se trouver là”

FAIT DIVERS DECEMBRE 2008:

Une infirmière mise en examen pour homicide involontaire

C'est l'Assistance Publique-Hôpitaux de Paris qui l'assure dans un communiqué. L'enfant de 3

ans, hospitalisé pour une angine, est décédé le 24 décembre (2008) après une erreur de perfusion.

L'Assistance Publique-Hôpitaux (AP-HP) a annoncé vendredi dans un communiqué qu’un

problème dans le circuit d'acheminement du médicament à l'intérieur de l'hôpital serait à l'origine

du décès du petit Yliès (Bien Yliès, selon l'AP-HP) le 24 décembre dernier" à Paris. L'AP-HP, qui

fait état des premières conclusions de l'audit interne de ses services, précise que "le flacon de

chlorure de magnésium utilisé par l'infirmière pour soigner l'enfant n'aurait jamais dû se trouver

dans l'armoire des solutés du service de pédiatrie générale de l'hôpital Saint Vincent de Paul". Les

résultats d'une expertise du sang du petit Yliès, 3 ans, hospitalisé pour une angine, décédé après

une erreur de perfusion, ont confirmé que la mort de l'enfant est due à une surdose de chlorure de

magnésium. Une infirmière de l'hôpital a été mise en examen pour "homicide involontaire" par la

juge Marie-Odile Bertella-Geffroy. Elle a reconnu avoir administré par erreur à l'enfant une

perfusion de chlorure de magnésium au lieu d'un sérum glucosé destiné à le réhydrater. Selon

une source proche de l'enquête, les deux flacons étaient extrêmement ressemblants avec un

même bouchon et une même étiquette bleue même si les inscriptions, B46 pour l'un, et Chlorure

de magnésium pour l'autre, étaient dissemblables. Les conclusions de la mission d'audit portant

sur les causes de cet acheminement du médicament seront connues dans les meilleurs délais,

ajoute l'AP-HP. "Constatant d'ores et déjà un dysfonctionnement collectif et sans attendre les

conclusions complètes de l'audit, le directeur général, souhaitant que l'AP-HP assume son entière

responsabilité, vient de demander au juge d'instruction que l'AP-HP, en qualité de personne

morale, soit mise en examen" ajoute le communiqué. Le petit garçon de trois ans est décédé le 24

décembre à l'hôital Saint-Vincent-de-Paul à Paris (XIVe) où il avait été admis pour une angine pour

laquelle une infirmière lui aurait administré par erreur du chlorure de magnésium.


(Source AFP) FAIT DIVERS JEUDI 11 SEPTEMBRE 2014 À 17H44

Un sexagénaire est décédé ce mercredi après avoir reçu une injection

médicamenteuse de chlorure de potassium. C'est la direction de l'institut Bergonié

qui a prévenu la police et la justice. Le parquet de Bordeaux attend les résultats de

l'autopsie.

Le parquet de Bordeaux confirme l'information : un patient de 61 ans est décédé hier

après-midi après avoir reçu une injection de KCl. L'erreur médicale s'est produite au

sein du service d'oncologie de l'institut Bergonié. Le centre est l'un des vingt

établissements en France spécialisés dans la lutte contre le cancer. Il assure 11.000

hospitalisations chaque année. Le patient a reçu en début d'après-midi une injection

de chlorure de potassium en lieu et place d'une injection de corticoïdes. Il est

décédé "très rapidement" selon les termes du communiqué publié par l'institut Bergonié.

Une élève infirmière, en troisième année de formation, se serait trompée de

patient.

19


Bordeaux : l'élève infirmière se trompe d'injection, le patient meurt au

centre anti-cancer





l'autopsie.

La dose létale 50 (dose mesurée sur la souris) de chlorure de potassium est à peu près

100 mg·kg-1 en voie intraveineuse. Il est utilisé lors des exécutions de condamnés à

mort aux États-Unis, par injection létale : l'administration en intraveineuse d'une solution

excessive de KCl provoque un arrêt cardiaque. C’est en raison de cette toxicité qu’en

pratique médicale une perfusion de ce soluté ne doit pas dépasser un débit de 1,5 g par

heure.

Il est aussi utilisé pour les interruptions médicales de grossesse par injection

intracardiaque fœtale.

20



centre anti-cancer

https://fr.wikipedia.org/wiki/Dose_l%C3%A9tale_50

https://fr.wikipedia.org/wiki/Injection_l%C3%A9tale#.C3.89tats-Unis

https://fr.wikipedia.org/wiki/Arr%C3%AAt_cardio-circulatoire

https://fr.wikipedia.org/wiki/Interruption_m%C3%A9dicale_de_grossesse





l'autopsie.

L’administration par voie intraveineuse de chlorure de potassium expose à des

accidents graves voire mortels par arrêt cardiaque en cas de doses trop fortes ou trop

rapidement administrées. Ces accidents surviennent la plupart du temps dans le

cadre d’erreurs dans la gestion du circuit de la prise en charge médicamenteuse que

ce soit au stade de la prescription, de son interprétation, de la préparation ou de

l’administration du chlorure de potassium : confusion avec d’autres ampoules

d’électrolytes, absence de dilution, erreurs de conversion d’unités et de calcul de

dilution, injection trop rapide…).

21



centre anti-cancer

Photos prise par Sophie Ho Van

QUELQUES SOLUTIONS POUR INJECTION IV

22


NOM : PRINCIPE ACTIF : MOLÉCULE

SOLUTION AQUEUSE

NATURE HYPO, ISO OU HYPERTONIQUE!

CONCENTRATION MOLAIRE

OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….

MÉDICAMENT AUTORISÉ


MAGNÉSIUM


Élément présents sous forme de sels dans de nombreux aliments :

• Lait, produits laitiers en général, céréales, chocolat noir, pomme de terre, banane, riz

complet, betterave, graines de courge (citrouille), noix, soja, germe de blé ...

Rôle physiologique :

-Régulation de l’activité des muscles et des nerfs, action essentielle sur l'activité de

centaines d'enzymes jouant un rôle clé au niveau métabolique.

Carence et excès :

-Carence en magnésium (=manque de magnésium) : crampes musculaires, certains

troubles des nerfs, jambes sans repos, fatigue, stress, dysménorrhée, hyperactivité

(chez les enfants) si liée à une carence. Insomnie, anxiété, constipation, faiblesse,

nausée, vomissement, problèmes cardiaques.

-Excès de magnésium : Diarrhées (selles molles), troubles cardiaques.

"Magnesium crystals" by Warut Roonguthai - Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0-2.5-2.0-1.0 via Wikimedia

Commons.

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac

26

-L’élément magnésium entre dans la composition de médicaments (qualifiés de compléments

alimentaires) sous différentes formes :

-MgCl2 : Chlorure de Magnésium

-MgCO3 : Carbonate de Magnésium

-Citrate de Magnésium

Indications thérapeutiques : rééquilibration

hydroélectrolytique et traitement des hypokaliémies

aiguës associées à une hypomagnésie….

SOLUTION INJECTABLE (SI) POUR USAGE MÉDICAL UNIQUEMENT

COMPRIMÉS EFFERVESCENTS

MAGNÉSIUM N’EST PAS DANGEREUX EN SOI, TOUT

DÉPEND DE LA DOSE…

Indications thérapeutiques : fatigue, stress…


MAGNÉSIUM

COMPOSITION QUALITATIVE ET QUANTITATIVE DES SOLUTIONS INJECTABLES:

QUELLES INFORMATIONS?

DOSAGE DE LA SPÉCIALITÉ 1g/10ml

MAGNESIUM CHLORURE HEXAHYDRATE 1,0g

Quantité correspondante en magnésium élément 0,12g

Eau pour préparations injectables ………………q.s.p 10 ml

pour une ampoule

Magnésium élément : 492 mmol/l soit 12 g/l

Osmolarité totale de la solution : 1 476 mOsmol/l

Traitement des hypokaliémies aigue associées à une hypomagnésémie:

Perfusion intraveineuse de 24 à 32 mmol de cation magnésium par jour soit 5 à 6,5 g de Chlorure de

magnésium par 24 heures.

Apports magnésiens lors de la rééquilibration hydroélectrolytique et de la nutrition parentérale :

Perfusion intraveineuse de 6 à 8 mmol de cation magnésium par jour soit 1,2 à 1,6 g de Chlorure de

magnésium par 24 heures

Chez l'enfant, la posologie usuelle est de 0,1 à 0,3 mmol/kg/24h de cation magnésium soit 20 à 60 mg/kg

de Chlorure de Magnésium par 24 heures27







pour une ampoule










de Chlorure de Magnésium par 24 heures

Spécialité

à 10% en masse

28






pour une ampoule











NOM DU

COMPLEXE

MOLÉCULAIRE

Formule

chimique :

MgCl2.6H2O

CE N’EST PAS

DU

CARBONATE

(basique) OU

DU CITRATE

(acide) EN

INJECTABLE!

COMPOSITION QUALITATIVE ET QUANTITATIVE


29






pour une ampoule













Masse de Mg

dans 1g de

complexe

MgCl2.6H2O

30






pour une ampoule













Quantité de

solvant (H2O)

suffisante pour

un volume final

de 10ml

31






pour une ampoule













NOTIONS IMPORTANTES:

Osmolarité : Nombre de particules

osmotiquement active dans un volume

d’eau

Concentration en mmol/L et en g/L

Élément?

32






pour une ampoule






Osmolarité : Nombre de particule


d’eau


Élément?














pour une ampoule






Osmolarité : Nombre de particule


d’eau


Élément?








de Chlorure de Magnésium par 24 heuresÀ QUOI CORRESPONDENT TOUS CES TERMES: IONS, CATIONS, ANIONS, ÉLEMENTS ET PARTICULES

OSMOTIQUEMENT ACTIVES?

34


36








SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….


À QUOI CORRESPONDENT TOUS CES TERMES: IONS, CATIONS,

ANIONS, ÉLEMENTS ET PARTICULES OSMOTIQUEMENT

ACTIVES?

1- DE L’ATOME AUX BIOMOLÉCULES/ A- ÉLÉMENTS, IONS ET MOLÉCULES

1- Atome ou Élément, isotope et ions, cations et anions, molécules?

37



38

Capture d'écran en date du 11 Août 2014 en choisissant le mode image de google.

Modèle de l'atome de Thomson

1897

Modèle Saturnien de Nagaoka

1904.

Modèle planétaire de Rutherford

1911

Modèle orbitalaire de Bohr

1913

Modèle quantique de Schrödinger

1926



Karoyan, P. De la chimie in vivo à la chimie in vitro, 2014, Ellipses.


Atome d’Hélium

A = nombre de masse = nombre de nucléons (P+N)

Z = numéro atomique = nombre de protons

Tableau périodique des éléments

Les éléments sont classés dans le tableau périodique par numéro atomique croissant :

H He

Li Be B C N O F Ne





Fr Ra Ac

1 2

3 4

5 6 7 8 9

10

etc...

La masse de

l’atome sera

fonction du nombre

de masse

Les espèces atomiques, encore appelés éléments ou nucléides, sont symbolisés de la façon suivante :

L’élément est défini par




H He

Li Be B C N O F Ne





Fr Ra Ac

JE RETIENS: -L’atome ou élément est une entité globalement neutre.

-Il est constitué:

d’électrons chargés négativement qui se répartissent autour

du noyau.

D’un noyau chargé positivement à cause des protons.

De neutrons, électriquement neutres!

Les atomes des éléments de la classification périodique se

distinguent par leur masse:

Ces notions sont importantes pour comprendre la distinction entre atome, isotopes et ions et pour comprendre

toutes les notions de concentration, de particules osmotiquement actives, de solubilité, de solvatation….

A = nombre de masse = nombre de nucléons (P+N)

Z = numéro atomique = nombre de protons



43

1- Parmi les affirmations suivantes, une seule est vraie.

Les atomes :

a) sont chargés positivement

b) sont chargés négativement

c) sont neutres

d) possède un noyau constitué d’électron

2- Parmi les affirmations suivantes, une seule est vraie:

a) Le numéro atomique définit le nombre de neutron

b) Le numéro atomique définit le nombre de proton

c) Le numéro atomique définit le nombre de nucléons

d) Le numéro atomique définit le nombre d'électron


EXEMPLE DE QUESTIONS TRÈS DIFFICILES POSÉES À L’EXAMEN


Pour un élément (atome) donné, le nombre de protons Z (ou numéro atomique) restera invariable. En revanche,

nous observerons des variations dans le nombre d’électrons et le nombre de neutrons définissant le passage de

l’atome à respectivement l’ion ou l’isotope. Ces caractéristiques permettent de définir l’isotope et l’ion pour un

élément donné :

Des nucléides ayant le même nombre de proton (Z) et différents par leur nombre de masse (donc par leur nombre

de neutrons) correspondent au même élément et sont qualifiés d’isotopes de l’élément en question.

Exemple 1 : l’élément Hydrogène (symbole H).

Pour information : Isotope ne

signifie pas systématiquement

élément radioactif ! Par

exemple, les isotopes 1H et 2H

de l’élément Hydrogène sont

stables. Seuls l’atome de

tritium est radioactif : il se

désintègre en émettant un

rayonnement b (bêta), avec

une période de 12,32 ans.

Notons que l’élément

Hydrogène est le seul élément

pour lequel les différents

isotopes portent un nom

distinct, en raison de leur

différence de masse

importante.

Remarque: la masse atomique d'un élément est la moyenne pondérée des masses atomiques des isotopes.44




Exemple 2 : l’élément carbone (symbole C)

Les isotopes, stables ou instables, de par leur propriétés spécifiques (émission par exemple de

rayonnement), sont essentiels en médecine nucléaire, avec des applications en imagerie et en

thérapie:

Exemple 3 : L’iode (symbole I) existe sous la forme de quatre isotopes dont trois sont émetteurs

de rayonnement :

il se désintègre en

émettant un rayonnement

b (bêta), avec une période

de 5730±40 ans (datation14C).

L’iode 131 a été utilisé en médecine dès 1938 en tant que marqueur de radiopharmaceutiques et

la scintigraphie est un technique d’imagerie d’émission née en 1951. Cette technique permet de

« voir » l’image d’un organe. L’iode 131 est utilisé par exemple, pour contrôler la répartition de la

fabrication de l’hormone thyroïdienne sur la glande. L’iode 123 est moins couramment utilisé en

raison de son prix plus élevé.




La radioactivité :

La radioactivité alpha est produite à partir d’un atome

radioactif instable qui se désintègre produisant deux atomes

plus stables dont l’un correspond à l’atome d’hélium :

Les éléments radioactif comprenant un nombre de protons

supérieur à 83 protons (ex: bismuth et polonium) et un

nombre de nucléons supérieur à 208 nucléons (à quelques

exceptions près) peuvent se désintégrer suivant ce

processus).

La radioactivité bêta est due à la transformation d'un

nucléon en un autre : un proton en neutron ou vice-versa.

Donc le numéro atomique Z augmente ou diminue d'une

unité. Elle s'accompagne de l'émission d'un électron (ou

positron). Il existe 3 types de radioactivité bêta: (b-) ,(b+) et

"la capture électronique".

La radioactivité gamma est produite lors du passage d'un

atome d’état énergétique " excité" à un atome moins

énergétique. Ainsi la radioactivité gamma émet un photon

avec un trop plein d'énergie et donne naissance à un rayon

gamma.

La protection devra être adaptée aux rayonnements émis 46



Scintigraphie : La technique consiste à injecter au malade un traceur radioactif (émetteur de rayons gamma) qui

varie selon l’organe examiné (exemples : Thallium 201 pour l’étude des tissus du myocarde, Technecium 99 pour

l’examen des poumons, os, reins…).

Le produit va se fixer de façon passagère sur certains tissus ou organes. Une fois fixée, la radioactivité sur

l’organe ou les tissus est mesurée grâce à un appareil appelé gamma-caméra qui capte le rayonnement gamma.

Scintigraphie osseuse révélant une lésion sous le bord inférieur droit de l'orbite

Scintigraphie et gamma-caméra : La scintigraphie osseuse met en évidence les zones malades par la

visualisation de l'augmentation du métabolisme ostéoblastique (ou du renouvellement osseux augmenté en

d'autres termes). Elle permet de diagnostiquer des maladies comme les fractures, les pathologies du sportif

(fissures, périostite), l'algodystrophie, les maladies inflammatoires du squelette, les tumeurs osseuses primaires

ou secondaires, les infections.

47



Scintigraphie cardiaque : l’examen consiste à injecter

par voie intra-veineuse un produit marqué par un

élément radio-actif (thallium ou technétium) qui se fixe

au niveau du cœur. Des radiographies sont alors

réalisées à l’aide de la gamma-caméra.

L’examen indolore, d’une durée moyenne de 15 à 30

minutes, qui ne présente pas de complication.

L’examen permet de visualiser les cellules

fonctionnelles du cœur. L’élément radioactif injecté est

absorbé par les cellules cardiaques vivantes qui sont

convenablement irriguées par leurs artères

nourricières. La gamma-caméra compte la radioactivité

présente au niveau du cœur.

Plus il y a de radioactivité dans une zone plus il y a de

cellules et plus la zone est de couleur rouge sur la

photographie. Moins il y a de cellules plus la zone est

bleue. Quand il n'y a pas de cellules dans une région

donnée il n'y a pas de radioactivité et la région est donc

en noir sur la photographie (cellule morte : infarctus,

myocardite…). Pour aider au repérage des zones

altérées, la photographie représente le cœur sous

différents angles ou coupes.

48



49

3- Parmi les affirmations suivantes, une seule est

vraie.

Les isotopes d'un même élément se distinguent:

a) par leur nombre d'électrons

b) par leur nombre de neutrons

c) par leur nombre de protons

d) par leur nature radioactive

QCM à choix multiples:

4- Deux isotopes d’un même élément :

a) ont le même nombre de proton

b) diffèrent par leur nombre de masse

c) diffèrent par leur nombre de neutron

EXEMPLES DE QUESTIONS POSÉES À L’EXAMEN


L’ion est une entité chargée : il se forme lors d’une réaction chimique, lorsque l’atome perd ou

gagne un ou plusieurs électrons : il portera alors respectivement une charge positive ou négative et

sera qualifié de cation (+) ou d’anion (-). Dans le cas de l’atome d’hydrogène, le cation porte le nom

de proton (puisqu’il n’est constitué que d’un seul proton et ne comporte pas de neutron), encore

appelé hydronium, et l’anion porte le nom d’hydrure

50




Fonction de l’électronégativité :

Grandeur qui mesure l’aptitude du noyau d’un élément (atome) à attirer vers lui les

électrons. Des échelles (Mulliken ou Pauling, basée sur les énergies d’ionisation et l’affinité

électronique ou les énergies de dissociation des liaisons) attribue ainsi une valeur pour

chaque élément de la classification périodique :

EN

Les éléments de la classification périodique vont se combiner afin d’acquérir une structure stable à huit électrons

dans la couche externe : c’est la règle de l’octet. Cette combinaison des atomes conduit à la formation de liaisons

chimiques dont la nature est fonction de l’électronégativité des éléments : liaison ionique ou covalente.




5- Parmi les affirmations suivantes, une seule est vraie. Les ions :

a) sont des entités chargées

b) sont des entités neutres

c) se forme à partir des atomes par perte de neutrons

d) se forme à partir des atomes par perte de proton

6- Parmi les affirmations suivantes, une seule est vraie. L'électronégativité:

a) définit la capacité d'un noyau à attirer les électrons

b) définit la capacité d'un noyau à attirer les neutrons

c) définit la capacité d'un noyau à attirer les protons

d) définit la charge d'un électron

EXEMPLE DE QUESTIONS POSÉES À L’EXAMEN




En partageant leurs électrons, les atomes vont se lier pour créer des combinaisons stables

d’atomes, les molécules (par respect de la règle de l’octet par exemple).

Ce partage d’électrons conduit à la formation de liaisons plus ou moins fortes.

La liaison chimique sera définie comme une interaction permettant de maintenir des atomes ou

groupes d'atomes à courte distance (de l'ordre de l'Å) et nous distinguerons différents types de

liaisons fonctions de la nature des interactions atomiques:

Liaison covalente

Liaison ionique

Liaison hydrogène

Liaison de van der Waals

.....

Nous distinguerons les liaisons fortes (covalentes, l'énergie de la liaison étant de l'ordre de la

centaine de kJ/mole) des liaisons faibles (toutes les autres, l'énergie de la liaison étant de l'ordre du

kJ/mol). Bien que ces liaisons faibles soient cruciales dans le maintien de la structure

tridimensionnelle des molécules et la reconnaissance moléculaire à l'origine de la vie, seules la

liaison covalente et la liaison ionique conduisent aux molécules. La liaison hydrogène et de van der

Waals étant importante dans le maintien de la structure 3D des molécules complexes (protéines

par exemple).





d’atomes, les molécules.


Nous distinguerons deux types de liaison conduisant à la formation des molécules :

- la liaison covalente: stable, solide, très difficile à rompre (100 à 485 kJ/mole)

- la liaison ionique: liaison faible facilement dissociable en solution








- la liaison covalente: Symbolisée par un trait qui unit deux atomes

Résulte de la mise en commun des électrons de

l’atome d’oxygène et des atomes d’hydrogène

Modes de représentation de la molécule d’eau

doublets

non liants

Liaison

covalente

Structure de la molécule d’eau:doublets

non liants

Représentation intégrant les doublets non liants essentielle pour comprendre la LIAISON HYDROGÈNE

ET LA solubilisation des solutés rendue possible grâce à ces doublets non liants


Liaison

covalente

Point d’ébullition?



Exemples de modes de représentation de molécules organiques simples :

Vanilline

Un des médicaments le

plus vendu au monde

Caféine

Vitamine C

(acide L-ascorbique)

80 000 t/an

Représentation perspective

selon CRAM

~120 000 t/an

(consommation)

Un composant de l’arôme

naturel de vanille (2%)

Arôme le plus fabriqué

dans le monde

~15 000 t/an

Chlorure de vinyle

~10 000 000 t/an

(fabrication du PVC)

Représentation topologique

Antalgique/antipyrétique

Paracétamol

France (2005):

340 millions de boitesSaccharose

Représentation Perspective (voir cours de P. Ferre)




Autres exemples : acides aminés, peptides et protéines (voir cours de D. Rainteau)

Acide Aminé

Brique élémentaire

Projection de Newman

Hélice, brin b, coude, structure 3DKaroyan, P. De la chimie in vivo à la chimie in vitro, 2014, Ellipses.



ADN : Acide désoxyribonucléique

(macromolécule)

ATP Adénosine triphosphate

Représentation de Haworth

Dizaines de milliards d’atomes de carbones

D-ribose

Représentation Fisher

Autres exemples : les acides nucléiques








- la liaison ionique:

symbolisée par des charges + et –

Attraction électrique entre des ions de charge opposée

Exemple :

Le Chlorure de sodium ou sel de table:

Certains éléments forment des ions à charges multiples par perte ou gain de plusieurs électrons

toujours pour respecter la règle de l’octet. Citons pour exemple en biologie Ca2+ , Mg2+, Fe2+ et

Fe3+, Cu2+, Zn2+:

Liaison ionique dans le solide

60



Les deux ions étroitement associés

par une interaction de charge: un

cation chargé positivement et un

anion chargé négativement :

Note : Les liaisons ioniques sont des liaisons

formées par attractions électriques entre des

ions de charges opposées. Dans les solides

(ex : sel de table), les liaisons ioniques sont

fortes car les ions sont proches.

Que se passe-t-il en solution?

Exemple: le chlorure de sodium se dissout dans l’eau grâce aux interactions qui s’établissent

avec les charges partielles des molécules d’eau. Ainsi, l’anion Cl- interagit avec les atomes

d’hydrogène de l’eau qui portent une charge partielle positive tandis que la cation Na+ interagit

avec l’atome d’oxygène porteur de charges partielles négatives.

61

1- DE L’ATOME AUX BIOMOLÉCULES/ B- EAU, SOLUTION ET CONCENTRATION

Le sel se dissout dans l’eau grâce aux interactions qui s’établissent entre les molécules:

Seules les molécules capables d’établir des interactions avec l’eau peuvent se dissoudre:

Remarque

NaCl non dissout

L’eau n’est pas un solvant universel!

Exemple: mélange eau/huile

62


« Cis trans ». Sous licence Creative Commons Attribution 2.5 via Wikimedia Commons.

Acides gras constitués essentiellement d’atomes NON

POLAIRES carbone et hydrogène, incapables d’établir

des interactions avec les molécules d’eau d’où la non

miscibilité et la formation d’émulsion. Molécule dite

hydrophobe (peur de l’eau!).

7- Parmi les affirmations suivantes, une seule est fausse. L’eau est un

constituant important de notre organisme. Elle joue un rôle de solvant:

A-Pour les molécules polaires

B-Pour les ions

C-Pour les molécules avec lesquelles elle engage des liaisons hydrogène

D-Pour les molécules hydrophobes



TOUTES CES PROPRIÉTÉS SE RETROUVENT DANS LE VIVANT:

La vie ne peut pas se développer en dehors de l’état liquide: nous somme constitués

essentiellement d’eau et nous ne pouvons survivre dans un environnement dépourvu d’eau.

Nos cellules contiennent principalement des solutions aqueuses de sels, de petites molécules

et de protéines compartimentées par des membranes lipidiques hydrophobes:

ions intracellulaire (mM) extracellulaire (mM)

Na+ 5-15 145

K+ 140 5

Mg2+ 0,5 1-2

Ca2+ 1x 10-4 1-2

H+ 7x 10-5 (pH = 7,2) 4x 10-5 (pH = 7,4)

Cl- 5-15 110

AUTRES COMPOSÉS : GLUCOSE, PROTÉINES,...

Les solutions font également parties de notre quotidien : de la boisson aux produits d’entretiens.

En médecine, les perfusions, composées de solutions aqueuses salines (NaCl et autres sels

solubles) remplacent les liquides perdus par l’organisme.


Liquides sucrés, salés ou aromatisés

Tous les produits pharmaceutiques que nous

utilisons doivent passer en solution pour

atteindre leur cible: leur faible solubilité dans

l’eau est une des principales limites à leur

efficacité, à l’image du Taxol.

66

Une solution est un mélange homogène d’au moins deux substances constituant une seule phase,

substances appelées :

-solvant (constituant présent en grande quantité, eau dans nos cas)

-soluté : espèce minoritaire par rapport au solvant (ex : Glucose, NaCl…)

1-Définition

66


Plasma et liquide intracellulaire sont des solutions aqueuses dans lesquelles sont dissous des

solutés :

67



SOLUTION ?

SUSPENSION ?

Gouttelette phospholipidique

(suspension)

Particule métallique

(suspension)

Cellule (suspension)

Molécule de saccharose (solution)

Au sein des liquides biologiques, il faut faire la distinction entre substances en solution (ex :

glucose, sels) et particules en suspension (ex : globules rouges, plaquettes).

Une solution est un mélange homogène d’au moins deux substances constituant une seule phase,

substances appelées :

-solvant (constituant présent en grande quantité, eau dans nos cas)

-soluté : espèce minoritaire par rapport au solvant (ex : Glucose, NaCl…)

L’expérience montre que l’addition d’une substance à un liquide pur modifie ses propriétés (ex :

addition de NaCl dans l’eau abaisse le point de congélation de l’eau: -1,9°C pour une solution

salée à à 35g/L). Ces propriétés sont liées au nombre relatif de particules de soluté et de solvant

définissant la concentration.

1-Définition

69


70707070


SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….



2-Concentration

Elle reflète le nombre de molécules (ex : Glucose) ou d’ions (ex : NaCl) dissous par quantité

de solvant.

Ce nombre de molécule est gigantesque et nécessite l’utilisation d’une unité de mesure : la

mole.

La mole (symbole mol) est une unité de base du système internationale, apparue en 1971, et qui

correspond à la quantité de matière (atome, molécule, particules…) d’un système qui contient

autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes de carbone dans 12 g de carbone (1 mole

d’atome de carbone pèse exactement 12 g/mol).

Sachant qu’un atome de carbone pèse1,99625.10-26 kg, on en déduit le nombre d’atome de

carbone dans 12g d’atome de carbone:


72

2-Concentration

En d’autres termes, la mole est une unité de comptage au même titre que la dizaine, la

centaine…mais cette unité de comptage est immense (602 214 milliards de milliards d'unité). De la

même manière qu'il y a autant d’éléments dans une douzaine de plumes que dans une douzaine

d’oeufs, il y a le même nombre d'atomes dans une mole de carbone que dans une mole de plomb

(ie. 602 214 milliards de milliards d'atomes), mais la masse de ces moles sera différente car la

masse des atomes sera différente!

-Remarque : La masse atomique correspond à la masse d’un atome et s’exprime en kg ou en

u.m.a. (symbole u, unité de masse atomique).

-La masse d’un atome se calcule en comptabilisant le nombre de nucléon (protons + neutrons)

sans tenir compte de la masse de l’électron qui est négligeable face à la masse des nucléons :

Exemple : masse de l’atome d’Hélium en kg : 4x1,675.10-27 = 6,7.10-27 kg en arrondissant la

masse du proton)

Masse d’une mole d’Hélium : 6,7.10-27x6,02.1023 = 4.10-3 kg/mol ou 4 g/mol


7373

2- Parmi les affirmations suivantes, une seule est vraie.

La masse atomique :

a) correspond à la masse d’un atome

b) s’exprime en mg

c) correspond à 1,66054. 10-27 kg

d) correspond à la masse de l’ensemble des neutrons


74

-Masse molaire d’un élément

Elle se définit comme la masse d’une mole de cet élément, cad 6,022.1023 entités identiques. Elle est

symbolisé par M. La masse molaire (d’une mole) d’un nucléide exprimée en g/mol:

Exemple : 1 mole du nucléide 35Cl pèse 35 g/mol. 1 mole du nucléide 37Cl pèse 37 g/mol. Une mole de

l’élément Chlore pèsera 35,5 g/mol en tenant compte de l’abondance relative de chaque isotope de

l’élément Chlore:

-Masse molaire d’une molécule

C’est la masse d’une mole de la molécule en question.

Elle se définit comme la somme des masses molaires de chaque atome qui constitue la molécule.

Exemple : M (H2O) = (1x2) + 16 = 18 g/mol

Note : il est possible de calculer une masse molaire exacte pour une molécule à partir des isotopes

majoritaires de chaque nucléide ou des masses molaires moyennes pondérées par l’abondance relative des

isotopes de chaque nucléide.

Le choix dépend de l’utilisation…

g/mol

2-Concentration


75

2-Concentration

Elle reflète le nombre de MOLES (ex : Glucose) ou d’ions (ex : NaCl) dissous par quantité de

solvant. Plusieurs unités de concentration peuvent satisfaire cette définition :

A- Concentration molaire volumique ou Molarité

Elle se définit comme étant la quantité (mol) de soluté A par litre de solution, suivant l’équation :

Une solution qui contient une mole par litre est une solution molaire.

La concentration molaire volumique ne permet pas de calculer la quantité de solvant servant à

préparer la solution.

Ex : Solution de NaCl à 0,9%

Pour préparer 1 Litre de solution de NaCl de concentration 0,154 M (0,154 mol/L, 154 mM) il faut

rajouter suffisamment d’eau (solvant) à 154 mmol du soluté (NaCl). Le volume

d’eau ajouté est inférieur à 1L.

Dans ce cas, la concentration

s’exprime en mol/L ou mol.L-1 ou M.

Attention : mmol/L, mmol/mL…

Solution : soluté + solvant

ppi : pour préparation injectable

qsp : quantité suffisante pour obtenir 1L de solution


76

B- La molalité

Symbolisée par la lettre m, elle représente la quantité (mol) de soluté (ex : NaCl) par masse de solvant en

kilogramme (ex : H2O) :

Une solution qui contient une mole de soluté par kg d’eau est une solution molale.

La molalité de la solution de NaCl, préparée en ajoutant 1,000 kg d’eau à 0,154 mol (9 g) de NaCl est de 0,154 m

(prononcer « zéro virgule 154 molal »).

Les quantités d’eau diffèrent dans une solution de concentration molaire volumique de 0,154M et dans une

solution de 0,154 m. (Molarité et molalité sont très proches pour une solution diluée).

C- La fraction massique

Elle est définie par le rapport entre la masse mA d’une substance A (ex : NaCl) et la masse totale du mélange

(mtotale)

Concrètement :

Il y a 0,9 g de NaCl dans 100 g de

solution, càd que 99,1 g d’eau sont

rajoutée à 0,9g de NaCl.


777777


SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….



78

C- Osmolarité/Osmolalité

L’osmolarité d’une solution est le nombre de moles de particules en solution dans 1 litre de

solution.

L’osmolalité est le nombre de moles de particules en solution dans 1 kg d’eau. 1 osmole (osm)

correspond à une mole de particules.

Concrètement :

Si l’on considère un litre d’une solution de Chlorure de Sodium (NaCl) à 0,9%. Quelle est son

osmolarité?

MNa = 23 g/mol

MCl = 35,5 g/mol

MNaCl = 58,5 g/mol

Chaque mole de NaCl, donne 2

moles de particules, soit dans notre

cas 154 mmol/L de Na+ et 154

mmol/L de Cl-.

Donc, en théorie, l’osmolarité de notre solution est 2x154 = 308 mOsm/L

Que dit notre étiquette?


79

D’où vient la différence?

B- Osmolarité/Osmolalité

L’osmolarité d’une solution est le nombre de moles de particules en solution dans 1 litre de

solution.

L’osmolalité est le nombre de moles de particules en solution dans 1 kg d’eau. 1 osmole (osm)

correspond à une mole de particules.

Concrètement :

Si l’on considère un litre d’une solution de Chlorure de Sodium (NaCl) à 0,9%. Quelle est son

osmolarité?

MNa = 23 g/mol

MCl = 35,5 g/mol

MNaCl = 58,5 g/mol

Chaque mole de NaCl, donne 2

moles de particules, soit dans notre

cas 154 mmol/L de Na+ et 154

mmol/L de Cl-.

Donc, en théorie, l’osmolarité de notre

solution est 2x154 = 308 mOsm/L

Que dit notre étiquette?


Exemple: le chlorure de sodium se dissout dans l’eau grâce aux interactions qui s’établissent

avec les charges partielles des molécules d’eau. Ainsi, l’anion Cl- interagit avec les atomes

d’hydrogène de l’eau qui portent une charge partielle positive tandis que la cation Na+ interagit

avec l’atome d’oxygène porteur de charges partielles négatives.

80


Le sel se dissout dans l’eau grâce aux interactions qui s’établissent entre les molécules:

Seules les molécules capables d’établir des interactions avec l’eau peuvent se dissoudre:

Remarque

NaCl non dissout

En réalité, tout le NaCl n’est pas sous forme ionisée et le

nombre de particule en solution est donc inférieur au

nombre total d’ions qui se formeraient par ionisation totale.

Le coefficient osmotique , déterminée expérimentalement,

permet de calculer le nombre réel de mole de particules

présentes dans la solution :

n(Osm) : n(mol).i.

Sachant que n(mol) = nombre de mole de la substance non

ionisée.

i = nombre d’ions formés (2 pour NaCl).

NaCl = coefficient osmotique de NaCl = 0,93

n(Osm) = 0,154x2x0,93 = 0,286 Osm/L



Exercice : Calculer l’Osmolarité d’une solution contenant 952 mg/L de Chlorure de

Magnésium sachant que le coefficient osmotique de ce sel est de 0,89. MMg = 24,32 g/mol,

MCl = 35,5 g/mol



Exercice : Calculer l’Osmolarité d’une solution contenant 952 mg/L de Chlorure de

Magnésium sachant que le coefficient osmotique de ce sel est de 0,89. MMg = 24,32 g/mol,

MCl = 35,5 g/mol

Réponse : Osmolarité de la solution = concentration molaire x i x 0,952/95,32x3x0,89 =

26,6 mOsm/L


Note : l’osmolarité est égale à la molarité pour un soluté qui ne se dissocie pas en solution

(ex : Glucose, Urée…)


COMPOSITION QUALITATIVE ET QUANTITATIVE DES SI:






pour une ampoule












85

La concentration ionique d’une solution est le nombre de moles de charges présentes dans

la solution. Son unité est l’équivalent (Eq) par volume de solution. Elle ne concerne, comme

son nom l’indique, que les ions, l’osmolarité faisant référence à toutes particules.

exemple : calcul de la concentration ionique d’une solution de 10 mM de NaCl

NaCl est à la concentration de 10 mM.

NaCl se dissocie en Na+ et Cl-.

Chaque mole de NaCl porte une mole de charges + et une de charges -. La concentration

ionique de la solution est donc : 2 x 10 = 20 mEq.l-1. (équivalent dans ce cas à l’osmoralité).

D- CONCENTRATION IONIQUE


86

EN RÉSUMÉ :

Equivalents, charges électriques

Ex:NaCl=Na+ +Cl- =2Eq/L

CaCl2 = Ca2+ + 2Cl- = 4 Eq/L

Glucose (non-électrolyte) = 0 Eq/L

Molarité, en moles/L

Ex :NaCl, M = 23 (Na) + 35,5 (Cl) = 58,5

NaCl 1M = 58,5 g/L

Osmolarité, n de particules à activité osmotique/L

Ex :NaCl 1M = 2 osmoles/L

CaCl2 1M = 3 osmoles/L

Glucose 1M = 1 osmole/L

Protéine 1M = 1 osmole/L

Osmolalité, osmoles/Kg de solvant


87

Quelle est l'osmolarité d'une solution

mixte 0,1 M en saccharose, 0,1 M en urée

et 0,1 M en NaCl

• 0,1 OsM

• 0,3 OsM

• 0,4 OsM

88

Quelle est l'osmolarité d'une solution

mixte 0,1 M en saccharose, 0,1 M en urée

et 0,1 M en NaCl

• 0,1 OsM

• 0,3 OsM

• 0,4 OsM

89


SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….


1- DE L’ATOME AUX BIOMOLÉCULES/ C- PRESSION OSMOTIQUE

90


Comprendre les principes physiques régissant

les mouvements d’eau (osmose) et des

substances dissoutes (diffusion) à travers une

membrane (m. artificielle ou cellulaire)

Observer et comprendre les conséquences

de ces mouvements d’eau sur le volume des

cellules.

OBJECTIFS DE CE PARAGRAPHE:

91


1- Sel et sucre empêchent la croissance bactérienne. Phénomène connu depuis des milliers

d’années:

le sel conserve viande et poissons:

Sucre préserve les confitures de la prolifération bactérienne:

Une méthode ancienne de protection des plaies, utilisées en l’absence d’antiseptiques pour

éviter la gangrène des plaies infectées étaient l’application de sucre, puis d’iode.

Comment sucre et sel détruisent-ils les bactéries?

Par les phénomènes de diffusion et d’osmose:

A- Diffusion et osmose, mise en évidence


POSSIBLE POUR UNE MOLÉCULE POLAIRE, HYDROPHILE, CAPABLE D’ÉTABLIR DES INTERACTIONS AVEC L’EAU



DIFFUSION :

Chaque substance se déplace pour équilibrer sa

concentration, indépendamment des autres

substances.

Soit 2 compartiments de 0,5L contenant respectivement un colorant mauve et vert et séparés

par une membrane perméable:

les compartiments gauche et droit ont chacun un volume de 0,5 l et les

concentrations initiales des colorants sont respectivement 2M pour le mauve

et 1M pour le vert.

les concentrations à l'équilibre dans les compartiments gauche et droit seront:

- 1M pour le mauve ; 0 ,5M pour le vert

2 M 1 M

1 M 0,5 M



A B

Membrane

Si l’on considère un récipient rempli d’eau et séparé en deux compartiments par une membrane

perméable.



A B

Membrane

Si l’on considère un récipient rempli d’eau et séparé en deux compartiments par une membrane

perméable.

Si l’on ajoute du sel dans le compartiment B, cela crée un déséquilibre entre les deux

compartiments, spontanément compensé par deux types de mouvement:

sel

Migration partielle du soluté (sel) du

compartiment où il est le plus

concentré vers celui où il est le moins

concentré: c’est la DIFFUSION.

Le solvant (l’eau) va migrer en sens

inverse du milieu pur vers la solution.

Ce phénomène indissociable du

précédent s’appelle l’OSMOSE.

97

eau

membrane semi-perméable =

perméable à l’eau et

imperméable aux solutés

NaCl

10 mM NaCl


Si l’on bloque le

phénomène de diffusion à

l’aide d’une membrane

semi-perméable, on peut

mettre en évidence le

phénomène d’osmose

(mouvement d’eau):

En l’absence de diffusion, il

ne plus y avoir égalisation

des concentrations entre les

deux compartiments et

l’équilibre ne pourra être

atteint que lorsque la

surpression hydrostatique

due à l’influence de la

pesanteur sera égale à la

pression osmotique


98

eau




pression sur le piston

NaCl

453 hPa

A- Pression Osmotique, mise en évidence

Osmose :

Elle correspond à un mouvement

d’eau à travers une membrane

semi-perméable, du

compartiment le moins concentré

en particules en solution vers le

compartiment le plus concentré

en particules en solution de

manière à équilibrer la pression

de part et d’autre de la

membrane.

Si l’on bloque le

phénomène de diffusion,

on peut mettre en évidence

le phénomène d’osmose:


99


eau

saccharose

Solution aqueuse 10 mM saccharose


perméable à l’eau


Compartiment 1

Compartiment 2

Osmose :

Elle correspond à un mouvement

d’eau à travers une membrane

semi-perméable, du

compartiment le moins concentré

en particules en solution vers le

compartiment le plus concentré

en particules en solution de

manière à équilibrer la pression

de part et d’autre de la

membrane.


Si l’on bloque le phénomène de diffusion, on peut mettre en évidence le phénomène d’osmose:

100

eau

10 mM saccharose




pression sur le piston

saccharose

244 hPa

A- Pression Osmotique, mise en évidenceLa pression osmotique se définit

comme la pression minimum

qu’il faut exercer pour

empêcher le passage d’un

solvant d’une solution moins

concentrée vers une solution

plus concentrée à travers une

membrane semi-perméable.

La pression osmotique est

proportionnelle à la

température et aux

concentrations de soluté de

part et d’autre de la

membrane.


101


La différence de pression osmotique à concentration en soluté égale (10mM de NaCl

(453hPa)) et 10 mM (244hPa) de Saccharose) s’explique par la différence d’osmolarité:

dans le cas du sucre, la molarité est = à l’osmolarité, elle est le double dans le cas du

NaCl qui se dissocie en deux ions en solution.


102


1- Sel et sucre empêchent la croissance bactérienne. Phénomène connu depuis des milliers

d’années:

le sel conserve viande et poissons:

Sucre préserve les confitures de la prolifération bactérienne:

Une méthode ancienne de protection des plaies, utilisées en l’absence d’antiseptiques pour

éviter la gangrène des plaies infectées étaient l’application de sucre, puis d’iode.

Comment sucre et sel détruisent-ils les bactéries?


Les bactéries sont des organismes unicellulaires

possédant une membrane semi-perméable.

Plongées dans un milieu aqueux, l’eau entre et sort à

travers la membrane. Les échanges sont équilibrés

ce qui permet sa survie et sa prolifération en milieu

humide et aqueux.

Si la bactérie est plongée dans du sucre ou du sel, la

quasi-totalité de l’eau intracellulaire traverse la

membrane suivant le principe d’osmose vers le

soluté, suivant le second principe de la

thermodynamique: la situation la plus favorable d’un

point de vue énergétique est celle où les molécules

d’eau vont dissoudre les molécules de soluté: la

bactérie se déshydrate et meurt.

Inversement, le contact avec l’eau pure est dangereux

pour nos cellules, parce qu’elles contiennent des

liquides salés. Dans notre corps, ces cellules sont en

contact avec des fluides physiologiques également

salés et de même osmolarité. Si nous mettons ces

cellules en présence d’eau pure ou trop

concentrée, que se passe-t-il?

104

La membrane cellulaire peut être considérée comme une membrane semi-perméable :

Si la cellule baigne dans un

milieu hypertonique, l’eau sort

de la cellule qui se contracte.

Si la cellule baigne dans un

milieu hypotonique, il y a un

mouvement d’eau (osmose)

du milieu extracellulaire vers

le milieu intracellulaire. La

cellule gonfle.

H2O H2O

Milieu Isotonique : les

pressions sont

identiques de part et

d’autre de la

membrane cellulaire.

A- Pression Osmotique au niveau cellulaire


Exemple: Si pour nettoyer nos yeux ou nos verres de contact, nous utilisons de l’eau pure au lieu

du sérum physiologique (solution saline), l’eau va passer par osmose dans les cellules de la

cornée, ce qui risque de créer un œdème.

105105105


SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….



Saccharose

0.5 M

Saccharose

1 M

A B


Exercice

Soit une membrane perméable à l'eau mais non aux solutés. Cette membrane sépare une

solution de saccharose 0,5 M (compartiment A) d'une solution de saccharose 1M

(compartiment B (.

Par rapport à la solution de saccharose 1M, la

solution de saccharose 0,5 M est-elle :

• hypotonique

• isotonique

• hypertonique

109



(compartiment B (.

Se produira-t-il un flux net d'eau et si oui, dans quel sens ?

- aucun flux

-un flux de A vers B

-un flux de B vers A

Saccharose

0.5 M

Saccharose

1 M

A B

8

110



(compartiment B (.

Se produira-t-il un flux net d'eau et si oui, dans quel sens ?

- aucun flux

-un flux de A vers B

-un flux de B vers A

Saccharose

0.5 M

Saccharose

1 M

A B

8

111

Saccharose

0.5 M

Saccharose

1 M

A B

eau

l’eau migre vers le compartiment où les molécules de soluté indiffusibles

sont les plus concentrées (c’est à dire où la pression osmotique est la plus

élevée);

c’est l’OSMOSE.

Faible Pression Osmotique

MILIEU HYPOTONIQUE

Faible Pression Osmotique

MILIEU HYPERTONIQUE

Solution à 1g/l d'une substance X (MM=10)

et solution à 100 g/l d'une substance Y

(MM=1000). L’osmolarité de la solution X

sera :

• 100 fois inférieure à celle de la solution Y

• 100 fois supérieure à celle de la solution Y

• 10 fois inférieure à celle de la solution Y

• 10 fois supérieure à celle de la solution Y

• égale à celle de la solution Y

N.B. pas de dissociation des substances X et Y

Solution à 1 g/l

substance X (MM = 10)Solution à 100 g/l

substance Y

(MM= 1000)

Concentration molaire: 0.1 M Concentration molaire: 0.1 M

Ces 2 solutions de même osmolarité (solution à

1g/l d'une substance X (MM=10) et solution à 100

g/l d'une substance Y (MM=1000)) développeront-

elles nécessairement la même pression osmotique

dans diverses situations ?

• Oui

• Non

QUESTION VACHE…..

• La pression osmotique

– N'est efficace que si les solutés ne peuvent

pas diffuser à travers la membrane

– Dépend des propriétés de perméabilité de

la membrane

La diffusion de l'eau ou osmose

Seuls les solutés qui ne diffusent pas sont

osmotiquement actifs.

Que faut-il invoquer pour expliquer un flux

net d'eau à travers une membrane ? Un

gradient de

• pression osmotique

• concentration en un soluté donné

• concentration de l'ensemble des solutés

en présence

119119119


SOLUTION AQUEUSE



OSMOLARITÉ

pH :4,4-6-7….


1- DE L’ATOME AUX BIOMOLÉCULES/ D- ACIDITÉ/BASICITÉ ET pH

Les notions d’acide et de base remonte au XVIIème siècle mais c’est à la fin du

XIXème siècle qu’Arrhenius définit les acides comme des composés libérant

des ions H+ et les bases des ions OH-.

Cette définition ne permet pas de comprendre le caractère basique de

l’ammoniaque!


I. L’acido-basicité selon Bronsted et Lowry

1. Définitions

Un acide est une espèce (molécule ou ion) susceptible de céder un proton(c’est-à-dire un ion H+)

Exemple l’acide acétique:

CH3COOH CH3COO- + H+

Les notions d’acide et de base remonte au XVIIème siècle mais c’est à la fin du

XIXème siècle qu’Arrhenius définit les acides comme des composés libérant

des ions H+ et les bases des ions OH-.

Cette définition ne permet pas de comprendre le caractère basique de

l’ammoniaque!

La théorie de Bronsted et Lowry apparaît comme plus rationnelle.


Une base est une espèce (molécule ou ion) susceptible de fixer un

proton.

Exemple: L’ammoniaque

NH3 + H+ NH4+

* Certaines espèces peuvent jouer les deux rôles, elles sont amphotères.

Exemple: L’eau


L’eau est un ampholyte, composé capable de jouer le rôle d’acide et de base.

(Solution amphotère).

Couple acido-basique:le processus est réversible:

exemple :

Dans l’eau, CH3-COO- formé à partir de l’acide acétique, peut capter un protonpour reformer une molécule CH3-COOH: CH3COO- est donc une base.

l’ion NH4+ peut perdre un proton pour donner une molécule NH3. l’ion NH4

+ est unacide.

à chaque acide correspond une base, sa base conjuguée.

à chaque base correspond un acide, son acide conjugué.

Acide Base + H+

Un acide et sa base conjuguée forment un couple acido-basique. La plupart de ces couples correspondent à l’une des deux formes:

AH A- + H+

BH+ B + H+


2. Réaction acido-basique.

plus l’acide est fort, plus sa base conjuguée est faible.

Une réaction acido-basique est un échange de proton entre deux couples, ou

encore une compétition entre deux bases pour fixer un proton.

Exemple: la réaction entre l’acide chlorhydrique et l’eau


Peut être considérée comme la somme de deux « demi réactions » (

fictives):

1) HCl H++ Cl-

2) H3O+ H+ + H2O

Des deux bases Cl- et H2O, la seconde est la plus forte, donc la réaction

évolue dans le sens 1.

Le schéma général d’une réaction acido-basique entre deux couples (1) et

(2) est donc:

Acide(1) + Base(2) Base(1) + Acide(2)


Forces comparées dans l’eau

La dissociation d’un acide dans l’eau est un cas particulier de réaction

acido-basique, dans lequel l’eau joue le rôle d’une base, au sein du

couple H3O+ / H2O ( H3O

+ étant l’ion hydronium (ou oxonium), ou

proton hydraté):

AH + H2O A- + H3O+

Exemple:

HCOOH + H2O HCOO- + H3O+


• Cette réaction sert de référence usuelle pour définir la

force d’un acide (ou de sa base conjuguée). Sa

constante d’équilibre porte le nom de constante d’acidité

Ka du couple:

• et pKa = -log Ka car Ka est un nombre petit.

• Plus Ka est grand ( et pKa petit) plus l’acide est Fort et la

base conjuguée faible.


Echelle des pKa dans l’eau

• Dans l’eau on ne peut comparer que les acides faibles dans l’eau, c-à-d de

pKa compris entre 0 et 14. les acides forts dans l’eau réagissent


• totalement sur l’eau:

• HCl + H2O Cl- + H3O+

• Sa « base » conjuguée est spectatrice dans l’eau, c-à-d

qu’elle n’a aucune propriété basique.


Importance cellulaire du pH

Parce que la fonction d'une protéine dépend du pH environnant, la cellule doit assurer dans

ses différents compartiments un pH bien précis et stable. Les enzymes lysosomiales qui

dégradent les protéines fonctionnent préférentiellement à pH 5,5 alors que les enzymes

cytoplasmiques fonctionnent de façon optimale à pH 7,2. Une concentration stable en ions H+

(protons) ne se maintient dans le cytosol que du fait de l'existence de mécanismes de

transport actif rejetant des protons hors de la cellule. Ce type de transport sert à compenser à

la fois la production métabolique de molécules acides et l'entrée passive de protons.


Au niveau Biologique

• Le pH

– pH = 7,40 [H+] = 40 nmol/l

• Molécules tampons

– Atténuation des variations de pH

– A- + H+ AH (couple A- / AH)

– pK = pH de ½ dissociation


Paramètres acido-basiques

plasmatiques

• Le pH plasmatique

– pH = 7,38 – 7,42

– pH = 39 - 42 nmol/l

• Molécules tampons

– Systèmes tampons fermés

• Albumine / Albuminate (pK = 7,60)

• HPO42- / H2PO4

- (pK = 6,80)

– Système tampon ouvert (HCO3- / PaCO2)


Système bicarbonate• Système ouvert

Régulé par les poumons

PaCO2 = 40 mmHg

Régulé par les reins

HCO3- = 24 mmol/l

pH = 6,10 + log ([HCO3-] / (0,03.PaCO2)

pH K . [HCO3-] / PaCO2

HCO3- + H+ CO2 + H2O

Troubles métaboliques Troubles respiratoires


COURS BIOCHIMIE

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

Pr. Philippe Karoyan

Laboratoire des Biomolécules

Université Pierre et Marie Curie, Paris 6

Glaxo-Smith-Kline

25 avenue du Québec

91140 Villebon-sur-Yvette

[email protected]

ifsi, cours de s1 -...

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