Fiche de révision : Constituants et chimie du vivant

📋 Plan du Cours

1. Éléments chimiques du vivant
2. Molécules organiques et minérales
3. Liaisons entre les atomes
4. Groupements fonctionnels et biomolécules
5. Eau polaire et liaisons hydrogène
6. Propriétés physiques de l’eau
7. Eau, solvant et interactions hydrophobes
8. Métabolisme et voies métaboliques
9. Eau et réactions chimiques

📖 1. Éléments chimiques du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Carbone tétravalent : Possède quatre électrons libres sur sa couche externe et peut former quatre liaisons covalentes.

★ À maîtriser

• Les atomes constituant la matière organique sont à 96 % CHON et à 99 % CHONPS, avec 1 % d’éléments traces.

• Les macroéléments du vivant sont C, H, O, N, P, S, Na, Cl, Ca et Mg, tandis que les microéléments indispensables comprennent notamment Fe, Br, Al, Si et B.

Compléments

• L’oxydation du carbone réduit des biomolécules libère de l’énergie, car les biomolécules sont oxydées par un comburant lors d’une réaction redox exothermique.

💡 Astuce mémo

CHONPS concentre l’essentiel de la matière organique

📖 2. Molécules organiques et minérales

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule organique : Possède au moins une liaison C-H ou C-C dans laquelle le carbone est à l’état réduit.
• Molécule minérale : Une molécule minérale est une molécule non organique, comme H2O, O2, PO4^3−, HPO4^2−, CO2, HCO3− ou CO3^2−.

★ À maîtriser

• Les quatre grandes classes sont:
  • les protides
  • les glucides
  • les lipides
  • les acides nucléiques

Compléments

• O2 intervient dans la respiration, le carbonate participe au tampon cellulaire et le phosphate est un précurseur de l’ATP et des acides nucléiques.

💡 Astuce mémo

Carbone réduit pour l’organique, absence de carbone réduit pour le minéral

📖 3. Liaisons entre les atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Pont salin : Attraction électrostatique entre deux atomes ou ions de charges opposées, faible dans l’eau et forte dans l’air.
• Liaison hydrogène : Attraction électrostatique faible entre un hydrogène δ+ lié à un atome électronégatif et un atome électronégatif accepteur.
• Forces de Van der Waals : Interactions électrostatiques très faibles dues à la déformation mutuelle et complémentaire des nuages électroniques d’atomes suffisamment proches.

📝 Points essentiels

📌 La liaison covalente est une liaison forte fondée sur la mise en commun d’une paire d’électrons, tandis que les liaisons faibles sont principalement électrostatiques.

💡 Astuce mémo

Covalente forte, interactions faibles électrostatiques

📖 4. Groupements fonctionnels et biomolécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Groupement fonctionnel : Ensemble d’atomes fixé au squelette carboné qui détermine des propriétés chimiques et participe aux réactions.
• Macromolécule : Molécule de masse moléculaire supérieure à 5 kDa, obtenue par polymérisation de monomères.

★ À maîtriser

• Un acide gras amphiphile possède un groupement alkyl hydrophobe et un groupement carboxyle polaire, souvent sous forme carboxylate à pH 7.

Compléments

📐 Formule — Le glucose C6H12O6 a une masse moléculaire de $6×12 + 12×1 + 6×16 = 180\ \mathrm{Da}$.

💡 Astuce mémo

Groupements fonctionnels → propriétés et réactivité

📖 5. Eau polaire et liaisons hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Polarité de l’eau : Molécule globalement neutre mais polaire, car l’oxygène plus électronégatif porte une charge partielle δ− et les hydrogènes des charges partielles δ+.

• Liaison hydrogène de l’eau : Le dipôle de l’eau permet à l’hydrogène δ+ d’une molécule d’attirer un atome d’oxygène δ− d’une autre molécule et de former un réseau de liaisons hydrogène.

📝 Points essentiels

• Les animaux possèdent environ 60 % d’eau, les végétaux environ 75 %, la méduse et la salade pouvant atteindre 98 %.

💡 Astuce mémo

Polarité de l’eau → liaisons hydrogène → réseau aqueux

📖 6. Propriétés physiques de l’eau

★ À maîtriser

• Les liaisons hydrogène expliquent la tension de surface élevée et la capillarité de l’eau, notamment la montée de la sève brute.

• La capacité thermique massique de l’eau est de $4{,}184\ \mathrm{J\,°C^{-1}\,g^{-1}}$.

• La chaleur latente de vaporisation de l’eau est élevée et vaut 2,26 kJ par gramme, ce qui permet la thermolyse par sudation, halètement ou évaporation foliaire.

• La glace est moins dense que l’eau liquide, avec une densité de 0,9 contre 1, ce qui lui permet de flotter.

Compléments

• L’eau liquide incompressible: génère la pression de turgescence, forme l’hydrosquelette des annélides, protège contre les chocs dans le liquide amniotique

💡 Astuce mémo

Réseau de liaisons H → cohésion, thermorégulation et protection

📖 7. Eau, solvant et interactions hydrophobes

🔑 Notions clés & Définitions

• Solubilité : Capacité d’une substance à interagir plus fortement avec les molécules du solvant qu’avec les molécules de soluté.
• Interaction hydrophobe : Rassemblement spontané de groupements apolaires dans l’eau, provoqué par leur exclusion du réseau aqueux et le maintien d’un maximum de liaisons faibles.

📝 Points essentiels

• L’eau disperse les molécules polaires en formant des liaisons hydrogène avec leurs groupements fonctionnels polaires, et plus une molécule possède de groupements polaires, plus elle est hydrophile.

📐 Formule — La force de Coulomb entre deux ions vérifie $F_c = \frac{1}{4\pi D}\frac{q_1q_2}{r^2}$, avec une constante diélectrique D égale à 1 dans l’air et 80 dans l’eau.

• Dans les protéines, les acides aminés hydrophobes se trouvent plutôt à l’intérieur et les acides aminés hydrophiles à la périphérie, tandis que l’ADN présente ses bases hydrophobes à l’intérieur et son squelette ribose-phosphate hydrophile à l’extérieur.

💡 Astuce mémo

Hydrophiles dispersées par l’eau, apolaires regroupées hors de son réseau

📖 8. Métabolisme et voies métaboliques

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : Ensemble des réactions chimiques cellulaires.
• Réaction chimique : Transforme la matière en modifiant des espèces chimiques, les espèces consommées étant les réactifs et les espèces formées les produits.

📝 Points essentiels

📌 Dans la cellule, toute réaction chimique est catalysée par une enzyme, comme le transfert d’un groupement phosphoryle catalysé par une kinase.

• 🔄 La glycolyse transforme:
  1. un glucose
  2. en deux pyruvates
  3. au cours de neuf réactions successives

💡 Astuce mémo

Réactifs → réactions enzymatiques → produits → voies métaboliques

📖 9. Eau et réactions chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrolyse : Décomposition d’une molécule par l’action d’une molécule d’eau dissociée, tandis que la réaction inverse est une condensation.
• Réaction acide-base : Transfert de proton H+ entre deux molécules, l’acide cédant H+ et la base le captant.
• Ampholyte : Substance pouvant se comporter à la fois comme un acide et comme une base ; l’eau est donc un ampholyte.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’hydrolyse de l’ATP s’écrit $ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i + énergie$ et libère de l’énergie.

📌 Dans une réaction redox, le réducteur cède des électrons et subit une oxydation, tandis que l’oxydant capte des électrons et subit une réduction.

📐 Formule — Le bilan de la photosynthèse est $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.

Compléments

📐 Formule — Pour le couple acide-base AH/A−, la constante d’acidité vérifie $K_A = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$ et $pK_A = -\log K_A$.

💡 Astuce mémo

Hydrolyse-condensation, acide-base et oxydoréduction

📊 Tableaux de synthèse

Principales interactions moléculaires

Réactions chimiques impliquant l’eau