Toute cellule vivante, animale ou végétale, est constituée d'un mélange de substances minérales et de substances organiques. Les constituants minéraux — l'eau et les sels minéraux — ne contiennent pas de carbone lié à l'hydrogène de façon caractéristique des molécules du vivant ; ils forment néanmoins la majeure partie de la masse de la matière vivante et sont indispensables à son fonctionnement.
L'eau (H₂O) est de très loin le constituant le plus abondant des êtres vivants : selon les tissus et les espèces, elle représente couramment 65 à 95 % de la masse fraîche d'un organisme. Elle sert de solvant universel aux réactions chimiques cellulaires, de milieu de transport des substances dissoutes et intervient dans la régulation thermique et le maintien de la turgescence des cellules végétales.
On met en évidence la présence d'eau dans un échantillon de matière vivante à l'aide du sulfate de cuivre anhydre (CuSO₄ anhydre), poudre blanche. Déposée sur ou au contact d'un tissu frais (ou des vapeurs qui s'en dégagent lors d'un léger chauffage), cette poudre bleuit : le sulfate de cuivre anhydre se combine à l'eau pour former du sulfate de cuivre hydraté (bleu), ce qui constitue une preuve simple et caractéristique de la présence d'eau dans l'échantillon testé.
Pour mesurer la quantité d'eau contenue dans un organe frais, on procède par dessiccation : on pèse l'organe frais pour obtenir sa masse fraîche (m₁), puis on le place à l'étuve à température modérée (afin de ne pas détruire les substances organiques) jusqu'à ce que sa masse ne varie plus, ce qui donne la masse sèche (m₂). La différence de masse (m₁ − m₂) correspond à la masse d'eau évaporée. La teneur en eau, exprimée en pourcentage de la masse fraîche, se calcule ainsi :
Teneur en eau (%) = [(m₁ − m₂) / m₁] × 100Outre l'eau, la matière vivante renferme des sels minéraux dissous, présents sous forme d'ions (anions et cations). Ces ions, bien qu'en faible quantité, jouent des rôles biologiques essentiels et sont mis en évidence par des réactions chimiques spécifiques de reconnaissance (réactifs caractéristiques donnant un précipité ou une coloration).
| Ion | Formule | Rôle biologique principal |
|---|---|---|
| Ion chlorure | Cl⁻ | Équilibre osmotique et électrique des liquides cellulaires et extracellulaires |
| Ion sulfate | SO₄²⁻ | Source de soufre pour la synthèse de certains acides aminés et protéines |
| Ion phosphate | PO₄³⁻ | Constitution des os et des dents ; entre dans les molécules énergétiques (ATP) et l'ADN |
| Ion nitrate | NO₃⁻ | Source d'azote pour la synthèse des protéines, surtout chez les végétaux |
| Ion sodium | Na⁺ | Équilibre osmotique, transmission de l'influx nerveux |
| Ion calcium | Ca²⁺ | Constitution des os, des dents et des coquilles ; coagulation, contraction musculaire |
| Ion carbonate | CO₃²⁻ | Constitution du squelette calcaire (os, coquilles, test des mollusques) |
Les constituants organiques sont des molécules bâties sur un squelette carboné (association d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, et parfois d'azote, de soufre ou de phosphore). Les trois grandes familles de constituants organiques de la matière vivante sont les glucides, les protides et les lipides.
Les glucides, ou « sucres », sont des molécules organiques composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (C, H, O), formant l'une des principales sources d'énergie de la cellule.
On distingue les oses, glucides simples qui ne peuvent pas être hydrolysés en glucides plus petits (exemples : le glucose, le fructose), et les glucides complexes, formés par liaison (liaison glucidique ou osidique) de plusieurs oses entre eux : les oligosides (quelques oses associés, comme le saccharose) et les polyosides (longues chaînes d'oses, comme l'amidon et le glycogène, réserves énergétiques respectivement du végétal et de l'animal, ou la cellulose, constituant structural de la paroi des cellules végétales).
Les oses et de nombreux oligosides sont solubles dans l'eau et possèdent un pouvoir réducteur (ils réduisent certains réactifs, propriété utilisée pour leur identification), tandis que les polyosides, de masse moléculaire beaucoup plus élevée, sont peu ou pas solubles dans l'eau et dépourvus de pouvoir réducteur.
Rôle des glucides : ils constituent la principale source d'énergie immédiatement utilisable par la cellule (glucose) et une importante réserve énergétique (amidon chez le végétal, glycogène chez l'animal) ; certains polyosides, comme la cellulose, assurent un rôle structural (paroi cellulaire végétale).
Les protides sont des macromolécules organiques constituées d'unités de base appelées acides aminés, molécules contenant à la fois un groupement carboxyle (–COOH) et un groupement amine (–NH₂).
On distingue les protides simples, réduits à un acide aminé isolé, et les protides complexes, formés par l'enchaînement de plusieurs acides aminés : les polypeptides (chaînes courtes) et les protéines (chaînes longues et organisées), elles-mêmes classées en holoprotéines (uniquement des acides aminés) et hétéroprotéines (association d'une partie protéique et d'une partie non protéique, comme un glucide, un lipide ou un ion métallique).
Les acides aminés s'associent entre eux par une liaison peptidique : liaison covalente qui s'établit entre le groupement carboxyle (–COOH) d'un premier acide aminé et le groupement amine (–NH₂) de l'acide aminé suivant, avec libération d'une molécule d'eau (réaction de condensation). L'enchaînement de nombreuses liaisons peptidiques construit la chaîne polypeptidique.
Rôle des protides : rôle structural (kératine, collagène), rôle enzymatique (catalyse des réactions biochimiques), rôle de transport (hémoglobine transportant le dioxygène), rôle de défense (anticorps, ou immunoglobulines) et rôle de régulation (certaines hormones).
Les lipides sont des molécules organiques caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques (éther, chloroforme, acétone) : ce sont les « corps gras ».
Les acides gras constituent l'unité de base des lipides les plus courants. Combinés au glycérol (un alcool à trois carbones), ils forment, selon le nombre d'acides gras estérifiés, des monoglycérides (1 acide gras), des diglycérides (2 acides gras) et des triglycérides (3 acides gras) — ces derniers étant la forme de réserve lipidique la plus répandue, obtenue par estérification du glycérol par trois acides gras, avec libération de trois molécules d'eau.
Les lipides sont insolubles dans l'eau (caractère hydrophobe) mais solubles dans les graisses et les solvants organiques ; cette propriété est à la base de leur mise en évidence (tache translucide et persistante sur du papier, non miscibilité avec l'eau).
Rôle des lipides : réserve énergétique très importante (le gramme de lipide libère environ deux fois plus d'énergie qu'un gramme de glucide ou de protide), rôle structural essentiel dans la constitution des membranes cellulaires (phospholipides), rôle d'isolation thermique (tissu adipeux) et de protection mécanique des organes.
| Constituant | Unité de base | Exemple | Rôle principal |
|---|---|---|---|
| Glucides | Ose (glucide simple) | Glucose, amidon, glycogène, cellulose | Source et réserve d'énergie ; rôle structural (cellulose) |
| Protides | Acide aminé | Polypeptides, protéines, enzymes, anticorps | Structural, enzymatique, transport, défense |
| Lipides | Acide gras + glycérol | Triglycérides, phospholipides | Réserve énergétique, structure des membranes, isolation |
On donne, dans le désordre, une liste d'ions minéraux présents dans la matière vivante : chlorure (Cl⁻), calcium (Ca²⁺), phosphate (PO₄³⁻), sodium (Na⁺), carbonate (CO₃²⁻) ; et une liste de rôles biologiques : (1) équilibre osmotique et électrique des liquides de l'organisme, (2) constitution des os, des dents et des coquilles, (3) entre dans la composition des molécules énergétiques (ATP) et des os, (4) transmission de l'influx nerveux et équilibre osmotique, (5) constitution du squelette calcaire de nombreux invertébrés.
On souhaite déterminer la teneur en eau d'une pomme de terre.
On donne trois glucides : le glucose, l'amidon et la cellulose.
Un triglycéride est un lipide de réserve très répandu chez les êtres vivants.
On donne, dans le tableau ci-dessous, la composition biochimique approximative (en pourcentage de la masse totale) de quatre aliments courants :
| Aliment | Eau (%) | Glucides (%) | Protides (%) | Lipides (%) |
|---|---|---|---|---|
| Pain | 35 | 55 | 8 | 2 |
| Viande maigre | 70 | 0 | 20 | 8 |
| Huile d'arachide | 0 | 0 | 0 | 99 |
| Banane | 75 | 20 | 1 | 0,3 |
On rappelle les valeurs énergétiques moyennes des constituants organiques : 1 g de glucides libère environ 4 kcal ; 1 g de protides libère environ 4 kcal ; 1 g de lipides libère environ 9 kcal.
10 questions · Correction immédiate
Le constituant majoritaire de la matière vivante, en masse, est :
La présence d'eau dans un échantillon de matière vivante peut être mise en évidence par :
L'ion calcium (Ca²⁺) intervient principalement dans :
Un ose est, par définition :
Un glucide complexe (polyoside), comme l'amidon, est formé par :
Le rôle principal des glucides dans la cellule est :
L'unité de base constituant les protides est :
La liaison qui unit deux acides aminés consécutifs dans une chaîne polypeptidique se nomme :
Un triglycéride est formé par l'association de :
Parmi les rôles suivants, lequel correspond principalement aux lipides ?