M3S1 Introduction à la biochimie

Question 1

A partir de quand les progrès scientifiques permettent d’explorer la cellule et son fonctionnement ?

Answer 1

Dès la fin du XIXe siècle, les scientifiques comprennent et expliquent comment la matière vivante résulte de réactions chimiques.

On décrit les grandes classes de biomolécules (glucides, lipides, protides et acides nucléiques) ainsi que leurs transformations chimiques grâce aux enzymes.

La molécule d’ATP (Adénosine Tri-Phosphate), qui transporte l’énergie chimique, est décrite en 1929.

Sa biosynthèse au niveau des mitochondries a été comprise dès 1940.

Question 2

Qui est Louis Pasteur ? Quels sont ses apports à la science ?

Answer 2

Scientifique français (1822-1895), chimiste et physicien de formation, il développe la microbiologie grâce à de nombreuses découvertes fondamentales et appliquées.

Il étudie notamment la fermentation des levures qu’il applique à l’industrie de la bière, du vin et du vinaigre.

Il réfute la théorie de la génération spontanée en prouvant qu’en chauffant suffisamment une solution, aucune bactérie ne peut s’y développer : c’est la pasteurisation, encore utilisée dans l’industrie du lait.

Il appliquera ce même principe pour la stérilisation des outils chirurgicaux.

Il étudie également différentes maladies de l’époque et met au point des vaccins contre le charbon du mouton et contre la rage.

Son apport à la science, à l’industrie et à la médecine est considérable.

Question 3

Quelles sont les différentes branches de la biochimie ?

Answer 3

• la biochimie structurale qui étude la structure des biomolécules ;
• la biochimie fonctionnelle qui explique le fonctionnement des molécules dans le vivant ;
• la bioénergétique qui étudie les réactions énergétiques dans les cellules ;
• la biochimie métabolique qui décrit les mécanismes de catabolisme (dégradation des nutriments en énergie) et d’anabolisme (biosynthèse de molécules pour l’organisme) ;
• l’enzymologie qui étudie le fonctionnement des enzymes ;
• la biochimie génétique qui décrit l’ADN, sa duplication et son mode d’expression.

Question 4

Quels sont les domaines d’application de la biochimie ?

Answer 4

• Médecine
• Agriculture
• Laboratoire
• Industrie agroalimentaire
• Diététique

Question 5

Quelles sont les utilisations de la biochimie en médecine ?

Answer 5

Dans l’analyse médicale (analyse de sang, étude de cellules pathologiques, recherche de micro-organismes pathogènes, etc.).

Cela permet d’aider les médecins à établir un diagnostic.

On utilise également la biochimie pour comprendre les causes des maladies, leur transmission, fabriquer des médicaments ou mettre au point des techniques d’exploration médicale (IRM, radiologie, échographie).

Question 6

Qu’est ce que l’insuline ? Le diabète de type 1?

Answer 6

L’insuline est une hormone importante pour équilibrer la glycémie (concentration de glucose dans le sang).

Elle est en quantité insuffisante chez les malades atteints de diabète de type I.

Ceux-ci survivent uniquement grâce à des injections quotidiennes d’une insuline fabriquée industriellement.

Question 7

Comment est créé l’insuline ?

Answer 7

La production de celle-ci a nécessité d’isoler le gène codant pour l’insuline de l’ADN humain.

Ce gène a été introduit dans des levures ou des bactéries, qui deviennent alors capables de produire l’insuline en grande quantité

Question 8

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans l’agriculture ?

Answer 8

La biochimie a également étudié les types de sols, les conditions optimales de croissance des végétaux, mais également des parasites nocifs pour les plantes.

Ces recherches ont permis de produire des engrais adaptés et des traitements contre les parasites.

Question 9

Quelles sont les utilisations de la biochimie en laboratoire ?

Answer 9

La recherche utilise constamment des techniques et des produits résultants des avancées induites par la biochimie (électrophorèse, centrifugation, anticorps, etc.).

Question 10

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans l’industrie alimentaire ?

Answer 10

Des nombreux aliments sont modifiés et transformés par des techniques élaborées grâce à la biochimie.

Ces techniques permettent également de comprendre le développement des agents pathogènes nocifs, d’en limiter les quantités dans nos aliments, d’améliorer la conservation et d’établir des dates de limite de consommation.

Question 11

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans la diététique ?

Answer 11

C’est en comprenant la digestion, l’absorption et le fonctionnement du métabolisme, que les nutritionnistes ont compris l’intérêt des macronutriments (protides, lipides, glucides) et micronutriments (vitamines, minéraux).

C’est ainsi qu’ont été élaborés les ANC (Apports Nutritionnels Conseillés), les quantités de chaque nutriment quotidiennement conseillées.

Les carences, les intolérances et les allergies alimentaires ont ainsi mieux été comprises, et des régimes alimentaires ont été élaborés.

Question 12

Qu’est ce que l’intolérance au lactose ?

Answer 12

C’est l’incapacité de la paroi intestinale de digérer ce sucre.

Elle est due à un manque d’une enzyme spécifique : la lactase.

La consommation de produits laitiers, chez les personnes souffrant de cette maladie, provoque différents symptômes digestifs, comme des diarrhées.

L’étude de la biochimie a permis à la fois de comprendre cette pathologie pour les médecins, d’élaborer des régimes sans lactose pour les diététiciens, mais également de produire du lait sans lactose pour les patients.

Question 13

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans la nutrition ?

Answer 13

La biochimie a permis de mettre au point les techniques d’analyse des micro-organismes en restauration, ainsi que les différents nettoyants bactéricides ou fongicides.

L’étude des bactéries a également permis de fixer les règles de maintien en température des préparations afin d’assurer une sécurité alimentaire maximale.

Question 14

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans la connaissance des aliments ?

Answer 14

Les techniques de conservation ont été possibles grâce à des procédés chimiques.

Les industriels ont également pu établir les DLC (Date Limite de Consommation) ou DLUO (Date Limite d’Utilisation Optimale).

Question 15

Quelles sont les utilisations de la biochimie dans l’application des techniques culinaires ?

Answer 15

La chimie des aliments a également permis de comprendre et de mieux maîtriser certaines techniques, et notamment les modes de cuisson (caraméliser, griller, pocher, fumer, etc.).

Question 16

Qu’est ce qu’un atome ?

Answer 16

C’est un objet de dimension voisine de 10^-10 m constitué :

• d’un noyau contenant autant de neutrons (non chargés) et autant de protons (chargés positivement) ;
• d’électrons (chargés négativement) en mouvement autour du noyau, regroupés en couches successives.

Ils sont chacun symbolisé par une ou deux lettres. Par exemple, le symbole du carbone est C, celui du sodium est Na.

Question 17

Qu’est ce que le numéro atomique ?

Answer 17

Le nombre de protons, il est noté Z.

À chaque valeur de Z correspond un nom
d’atome (Z = 1 pour l’hydrogène, Z = 2 pour l’hélium, etc.).

Lorsqu’un atome possède autant de protons que d’électrons, sa charge globale est neutre.

Question 18

Qu’est ce que le nombre de masse ?

Answer 18

Noté A elle correspond à la somme des nombres de neutrons et de protons.

Question 19

Comment est structuré l’ensemble des électrons d’un atome ?

Answer 19

L’ensemble des Z électrons d’un atome est structuré en couches électroniques pour les organiser en fonction de leur encombrement spatial et de leurs charges négatives, qui se repoussent les unes des autres.

Plus la couche est proche du noyau, plus elle est petite et contient peu d’électrons : la 1re couche n’accepte que deux électrons, la 2e en accepte huit et la 3e jusqu’à dix-huit.

Question 20

Qu’est ce que la classification périodique des éléments ?

Answer 20

La classification périodique est un tableau qui organise les éléments chimiques en lignes et en colonnes selon leur nombre atomique croissant.

Elle est utile pour comprendre les similitudes de structure et de réactivité des éléments chimiques d’une même colonne.

Elle rassemble aussi des informations utiles comme le nom, le symbole, la masse molaire des atomes.

Question 21

Qu’est ce que les isotopes ?

Answer 21

Deux atomes qui ont un nombre identique de protons (donc d’électrons), mais un nombre différent de neutrons.

Deux atomes isotopes correspondent donc au même élément chimique, puisqu’ils ont le même nombre de protons.
En revanche, ils n’ont pas la même masse.

Les atomes isotopes se représentent avec le même symbole chimique.

Question 22

Quelle est la particularité des isotopes de l’hydrogène ?

Answer 22

Les atomes isotopes se représentent avec le même symbole chimique, sauf les isotopes de l’hydrogène notés respectivement H (hydrogène), D (deutérium) et T (tritium).

Question 23

Quels sont les isotopes du carbones ?

Answer 23

Il existe trois isotopes du carbone.

Ils ont tous six protons et six électrons, mais le plus léger possède six neutrons, il est noté 12C (lire « carbone 12 »).

Le nombre 12 est son nombre de masse qui est égal à la somme des nombres de protons et de neutrons.

Un autre isotope est 13C (il a sept neutrons) et le troisième est 14C (il a huit neutrons).

Ce dernier est radioactif, il se décompose avec le temps.

Question 24

Quelle application est faite des isotopes ?

Answer 24

Les isotopes radioactifs sont utilisés en médecine soit pour irradier une tumeur et la détruire, soit pour comprendre les mécanismes biochimiques en marquant des sucres ou des acides aminés, ce qui permet de les suivre « à la trace ».

Question 25

Qu’est ce qu’une molécule ?

Answer 25

Les molécules sont constituées d’atomes reliés entre eux par des liaisons covalentes simples, doubles ou triples.

Chaque liaison correspond à la mise en commun de deux électrons, chaque atome lié en apportant un.

Les atomes de la plupart des molécules respectent la règle de l’octet.

Question 26

Qu’est ce que la règle de l’octet ?

Answer 26

Dans le but de se stabiliser, tous les atomes essaient de remplir leur couche de valence au maximum :

• H qui ne possède qu’un électron de valence va essayer d’en fixer un second ;
• O qui en possède six va essayer d’en fixer deux.

Pour cela, ils mettent en jeu un électron libre (symbolisé par un point) dans une liaison covalente pour se lier à l’électron libre d’un autre atome.

Les électrons qui n’entrent pas en jeu dans les liaisons covalentes se stabilisent deux à deux en formant des doublets d’électrons (symbolisé par une barre).

Question 27

Qu’est ce qu’un ion ?

Answer 27

Une entité chargée électriquement.

S’il est chargé positivement, il est appelé cation ;

s’il est chargé négativement, il est appelé anion.

Il existe des ions simples (Cl-, Na+) et des ions complexes (NO3-, CH3COO-, NH4+, etc.).

Les ions simples correspondent à des atomes qui auraient perdu ou gagné des électrons.

Les ions complexes correspondent à des molécules qui ont cédé ou capté un ion, souvent H+.

Question 28

Quels sont les ions issus de molécules suivantes : HNO3 ; CH3COOH ; NH3 ?

Answer 28

• L’ion nitrate NO3- dérive de la molécule d’acide nitrique HNO3 qui a perdu un ion H+.
• L’ion acétate CH3COO- dérive de la molécule d’acide acétique CH3COOH qui a perdu un ion H+.
• L’ion ammonium NH4+ dérive de la molécule d’ammoniac NH3 qui a capté un ion H+.

Question 29

Quelles sont les 4 grandes familles de molécules qui constituent l’essentiel de l’alimentation ?

Answer 29

• la famille des glucides constituée des différents « sucres » comme le glucose, le lactose ou leur combinaison comme l’amidon ;
• la famille des lipides constituée des corps gras comme les triglycérides, le cholestérol et les acides à longue chaîne (appelés acides gras) ;
• les protides constitués des acides aminés, des peptides et des protéines ;
• les acides nucléiques composés de l’ADN et de l’ARN, formés de nucléotides.

Attention : les hormones sont soit des lipides, soit des protides.

Question 30

Quelles sont les techniques de laboratoire utilisées pour la conservation d’échantillon ?

Answer 30

• Congélation
• Lyophilisation

Question 31

Quelles sont les techniques de laboratoire utilisées pour la séparation ?

Answer 31

• sédimentation et centrifugation
• filtration et ultrafiltration
• chromatographie
• électrophorèse

Question 32

En quoi consiste la congélation ?

Answer 32

La congélation est une technique qui préserve bien l’échantillon.

L’échantillon est conservé entre -20 et -192 °C.

Pour cela, on utilise notamment le congélateur (-20 °C) ou l’azote liquide (-192 °C).

La température utilisée, ainsi que la rapidité pour
l’atteindre, peut cependant dénaturer plus ou moins les protéines.

Question 33

En quoi consiste la lyophilisation ?

Answer 33

Cette technique concerne les solutions qui sont d’abord congelées.

Puis l’eau qu’elles contiennent est évaporée par sublimation sous vide (c’est-à-dire par passage direct de l’état solide à gazeux).

Il reste ainsi un produit déshydraté, facile à transporter et conserver.

Cependant, cette technique détruit les biomolécules et leur activité.

Question 34

En quoi consiste la sédimentation et centrifugation ? Utilisations ?

Answer 34

En laissant la gravité agir, les constituants les plus denses se retrouvent au fond (ce phénomène se nomme la sédimentation).

Dans certains cas, et pour l’accélérer, il faut forcer ce processus en centrifugeant le mélange.

Cela permet de séparer les constituants du sang par exemple : Les érythrocytes (globules rouges) se retrouvent au fond, les leucocytes (globules blancs) et les plaquettes dans une fraction intermédiaire, et le plasma (liquide du sang) en surface.

En techniques culinaires, la séparation des graisses qui surnagent n’a pas besoin de centrifugation car la différence de densité avec la phase aqueuse est grande.

Question 35

En quoi consiste la filtration ?

Answer 35

Suivant les dimensions des « objets » à retenir, on utilise un papier-filtre ou une membrane, dont la porosité est plus ou moins fine.

En techniques culinaires, il en est de même avec la passoire, le chinois, une écumoire.

Question 36

En quoi consiste la chromatographie ?

Answer 36

Un échantillon en solution est mis en contact avec la surface d’un solide qui a une affinité particulière pour un ou plusieurs des composants de l’échantillon.

Les molécules migrent alors d’autant moins vite dans la solution que leur affinité pour cette surface est grande.

Cela permet de séparer les molécules et de purifier une solution.

Il existe plusieurs types de chromatographie en fonction du type de support utilisé (phase solide, liquide, gazeuse, avec absorptions, échanges d’ions, sur papier, couche mince ou colonne).

Question 37

En quoi consiste l’électrophorèse ?

Answer 37

Cette technique utilise un champ électrique pour séparer des acides aminés, les protéines ou tout composé électriquement chargé.

Elle s’effectue souvent sur un support de cellulose ou de gel d’agarose (ou d’acrylamide).

Un échantillon y est déposé et un courant électrique est appliqué. Les molécules migrent alors en fonction de leur propre charge vers l’anode (pôle +) ou la cathode (pôle -).