Chimie pour les étudiants en médecine...et pour tous ceux qui ne seront pas chimistes

314 Pages·2010·21.643 MB·French

by  Raul Sutton, Bernard Rockett, Peter Swindells

1.,
Chimie pour
les étudiants
.
·
en médecine. ..
et pour tous ceux
qui ne seront pas chimistes
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Dans la collection Cycle
Médecine
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M.A yadimQ,C M dec himioer ganique
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Chimie pour
les étudiants
en médecine. ..
et pour tous ceux
qui ne seront pas chimistes
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> Sutton
> Rockett
> Swindells
2e
Traduction de la édition américaine par Paul Depovere
��de boeck
Ouvrage original
Mentiosnp écia:lR e. S uttonB,.R ocketatn,d P . SwindellCsh,e mistry theL itSec ience2sd, e di­
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BibliothèNqautei onalPea,r ism:a rs2 01
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Bibliothèrqouyea ldee BelgiquBer,u xell2e0s1:0 /0047/ 235 ISBN9 78-2-8041-3511-9
Préface
'··
Introduction ou comment se servir utilement de ce manuel
Ce livre a été conçu comme un manuel d'auto-apprentissage destiné
aux étudiants qui entament un premier cycle universitaire orienté vers
les sciences de la vie. De tels étudiants seront bien vite confrontés, lors
de leurs cours, à des notions de biochimie, lesquelles impliqueront
une bonne compréhension de concepts chimiques fondamentaux tout
à fait particuliers. Ainsi donc, chers étudiants du secteur de la santé
ou de la biologie en général, afin de vous procurer une base solide à
l'enseignement qui vous sera prodigué, nous avons voulu inclure dans
ce livre exclusivement les notions de chimie qui s'avéreront indispen­
sables pour vous. C'est pourquoi, chaque chapitre débute par un texte
introductif qui justifie la pertinence de son contenu dans le contexte
de la biologie. Nous nous sommes sciemment efforcés d'éliminer tou­
tes les redondances éventuelles avec ce que décrivent les traités das­
siques de biochimie. Par contre, l'intérêt des matières abordées est mis
en exergue, autant que faire se peut, grâce à des exemples appropriés
relevant de phénomènes biologiques. Nous avons par ailleurs décidé
de présenter chaque concept de manière fondamentale, ce qui signifie
qu'aucune connaissance préalable de chimie n'est vraiment requise pour
s'y retrouver. Toutefois, le niveau intellectuel auquel nous désirons ame­
ner le lecteur implique un développement important, en peu de pages,
des notions basiques abordées. Bref, chaque chapitre est relativement
court, tout en présentant la plupart des aspects chimiques indispensa­
bles à une bonne compréhension des cours de premier cycle universi­
taire. En d'autres mots, ce manuel vous apporte, de manière concise,
les rudiments de la chimie qui vous seront indispensables dans votre
cursus des sciences de la vie.
La plupart des étudiants abordant le premier cycle universitaire
orienté vers les sciences de la vie ne disposent que du bagage mathéma­
tique fourni par l'enseignement secondaire, de sorte que nous avons
écrit ce petit livre en supposant que seules les notions les plus fonda­
mentales de cette science sont acquises. La chimie repose, pour une
bonne part, sur des principes physiques, parmi lesquels beaucoup
dérivent de considérations fondamentales en rapport avec la thermo­
dynamique des équilibres. Et, précisément, cette thermodynamique
exige, pour être comprise, de bonnes notions d'algèbre et d'arithméti­
que. Les équations indispensables pour effectuer les calculs voulus sont
données là où il sied dans le texte, mais la manière de dériver celles-ci
figure dans un appendice. Le lecteur pourra ainsi satisfaire sa curiosité
naturelle en y découvrant l'origine de ces importantes équations.
Chimie pour les étudiants en médecine. ..
Nous comprenons que vous ne vous sentiez pas très rassuré en vous
attaquant à des problèmes pour lesquels vous disposez de peu d'expé­
rience. En guise d'aide, chaque chapitre contient çà et là des exemples
raisonnés, résolus étape par étape, montrant comment réaliser chaque
type important de calcul. Il vous reste alors à auto-évaluer votre com­
préhension de ces modes de calculs en essayant de répondre aux ques­
tions qui suivent. Pour vérifier la justesse de vos réponses, nous vous
recommandons de consulter le solutionnaire disponible chez l'éditeur
américain (CRC Press), lequel donne tous les détails du raisonnement.
Certains sujets abordés dans les divers chapitres exigeront une
mémorisation pure et simple, ce à quoi il faudra résolument s'entraîner.
Certes, il ne serait pas opportun de retenir tout par cœur au premier
abord. La mémorisation sera plus facile si on fragmente les notions à
apprendre et si on les révise régulièrement. Bien vite, on remarquera
que tous ces concepts se recoupent sans cesse. Certains aspects plus
physiques de la chimie peuvent être rebutants pour vous qui avez choisi
l'étude des sciences de la vie. Mais vous verrez qu'en relisant, lentement
et soigneusement, ces passages difficiles, vous arriverez à comprendre
beaucoup plus clairement leur signification. Partout dans ce livre, vous
trouverez des exemples raisonnés qui montreront comment trouver
les bonnes réponses aux questions, suivis de questions ouvertes. En
vous aidant ainsi à comprendre la chimie, le but est de vous rassurer
quant à votre bonne assimilation des concepts.
Nous avons délibérément choisi d'employer le mot biomolécule
« »
pour désigner toute molécule qui s'avère être un constituant important
des organismes vivants. La plupart des réactions chimiques propres aux
organismes vivants se déroulent dans un environnement parfaitement
contrôlé, souvent vers pH 7,0. Dès lors, les conditions standards dans
le contexte général de ce livre seront définies comme étant un pH
de 7,0 à 25 °C.
Les notions de chimie que vous allez apprendre ici serviront dans
de nombreux domaines de votre cursus futur et notamment en phy­
siologie, pharmacologie, microbiologie et biochimie. Pour maîtriser
valablement la biologie, il faut nécessairement comprendre la struc­
ture, la réactivité ainsi que les caractéristiques physiques des molécu­
les dont est constitué le monde vivant si diversifié qui nous entoure.
Ce livre aidera à apprécier cet important secteur des sciences de
VOUS
la vie.
La deuxième édition
Nous avions soigneusement examiné, lors de la première édition, le
choix et la disposition des chapitres. Dans cette deuxième édition, nous
avons apporté plusieurs améliorations notoires, notamment en y ajou­
tant des concepts chimiques revêtant une grande importance dans les
sciences de la vie. Ainsi, cette nouvelle édition comprend de nouveaux
thèmes, voire des !_Sèmes amendés en rapport avec les sujets suivants:
le comportement et les propriétés de l'eau (chapitre distinct)
•
la structure, les propriétés et la réactivité des molécules aroma­
•
tiques
Préface VII
le rôle des métaux dans les organismes vivants
•
les gaz, la diffusion et l'osmose
•
Nous avons ôté du texte les réponses aux questions d'auto-évalua­
tion et celles-ci se retrouvent à présent dans un petit livre à part (Solu­ ''·
tions Manual) disponible chez l'éditeur. Ceci permet d'offrir un texte
concis, à un prix compétitif, tout en maintenant à votre disposition les
réponses détaillées aux questions apparaissant dans les exemples rai­
sonnés.
Nous pensons aussi que certaines illustrations présentées dans ce
livre peuvent servir de support à toute une série de cours dans des
domaines divers relevant du premier cycle universitaire. Voilà pourquoi
la plupart des tableaux et figures sont disponibles en format téléchar­
geable sur le site Web de l'éditeur. Ceci devrait permettre à des ensei­
gnants de recréer leur propre cours de chimie en y intégrant les
illustrations les plus pertinentes.·
De surcroît, il faut bien reconnaître que la nature de la chimie
change au prorata de l'impact qu'une telle chimie exerce sui: notre com­
préhension de la biologie. Les progrès en biologie impliquent des modi­
fications des objectifs d'un livre tel que celui-ci. Nous avons, après
mûre réflexion, choisi les thèmes chimiques qui semblaient les plus
appropriés pour les étudiants orientés vers les sciences de la vie. En ce
sens, vos réactions quant à la pertinence des sujets traités sont les
bienvenues. C'est, pour nous, une manière efficace de pouvoir, si besoin
est, changer certains contenus lors d'éditions ultérieures.
Enfin, nous tenons à remercier le Dr John Edlin pour nous avoir
permis de reproduire le tableau périodique apparaissant dans le cha­
pitre 1.
Raul Sutton
Bernard Rockett
Peter Swindells
Éléments, atomes
1
et électrons
1.1 Introduction
Pour celui qui veut comprendre les propriétés et la réactivité des
molécules intervenant en biologie - lesquelles sont souvent volumi­
neuses ou de structure complexe -, il est indispensable d'examiner
tout d'abord ce que sont les entités les plus simples de la matière. Dans
ce chapitre, nous allons voir comment quelques particules fondamenta­
les, en l'occurrence les protons, les neutrons et les électrons, peuvent
s'agencer pour former les atomes des divers éléments. L'organisation
particulière des électrons au sein des atomes sera examinée en détail,
car c'est de celle-ci que dépendent les propriétés <lesdits atomes. Ce
sont en définitive ces éléments qui se trouvent à l'état combiné dans
tous les organismes vivants.
1.2 Matière et éléments
Imaginez, d'une part, une libellule iridescente en plein vol, exécutant de
brusques changements de direction et, d'autre part, une motte de terre.
La libellule est brillante, vive et structurée, tandis que la motte de terre
est terne, inerte et sans caractéristiques particulières. Il semble invrai­
semblable qu'il puisse exister un quelconque rapport entre cet être et
cette chose et, pourtant, nous savons que chacun est composé d'enti­
tés simples qu'on appelle des éléments. Les quelque 92 éléments
naturels se combinent en fait selon diverses modalités pour façonner
tous les minéraux et tous les organismes vivants en ce monde où nous
vivons.
Un élément est une substance pure qui ne peut pas être décompo­ Chaque élément est une
substance pure, simple,·
sée par des moyens chimiques en quoi que ce soit de plus simple. Le
qu'il est impossible de
carbone est la brique qui permet de construire la vie. Il s'agit d'un élé­ décomposer par des
ment, ce qui signifie qu'il est impossible de dégrader du carbone en méthodes chimiques.
quelque chose de plus simple.
Parmi ces éléments naturels en nombre impressionnant, seuls quel­
ques-uns revêtent de l'importance dans le monde du vivant. Certains
sont absolument indispensables en tant que macroéléments, alors que
d'autres ne sont exigés qu'en très faible quantité, c'est-à-dire à l'état de
traces 1• Ces éléments utiles à la vie sont répertoriés dans les tableaux 1.1
et 1.2. En vue d'écrire les formules des molécules biologiques de
manière aussi claire et précise que possible, les divers atomes élémen­
taires sont représentés sous une forme abrégée et simple qu'on appelle un Les symboles permettent
de représenter les éléments
symbole. Pour chaque élément, ce symbole est une simple lettre majus-
sous forme abrégée.
1. on les appelle des oligoéléments.
Nd.Tr.:
Chimie pour les étudiants en médecine. ..
2
cule évoquant son nom. Ainsi, le carbone est représenté par C et l'hy­
drogène par H. Lorsque le nom de divers éléments commence par la
même lettre, on complète le symbole par une deuxième lettre, minus­
cule, en vue d'éviter toute confusion. Voilà pourquoi le calcium a pour
symbole Ca et le chlore Cl. Cette manière conventionnelle d'écrire les
symboles est impérative. On ne peut absolument pas représenter le
chlore par CL ni par cl. Les symboles des éléments importants en bio­
logie sont répertoriés dans les tableaux 1.1 et 1.2. Leur position dans
la classification périodique apparaît dans le tableau 1.5.
1.3 Les atomes
Chaque élément est constitué d'un nombre gigantesque d'entités minus­
cules mais identiques qu'on appelle des atomes. Ainsi, un élément tel
que le carbone est entièrement composé d'atomes de carbone. L'oxy­
gène ne contient que des atomes d'oxygène.
Un atome correspond à la plus petite entité en laquelle un élément
peut être divisé tout en conservant les propriétés dudit élément. On
peut s'imaginer l'extrême petitesse d'un atome de carbone lorsqu'on se
Tableau 1.1 Éléments d'importance primordiale pour le règne végétal et animal
Nom Source utilisable
Symbole Rôle dans les organismes vivants
de l'élément par l'homme
Carbone C Constituant des protéines, glucides, lipi­ Viandes, fruits, légumes
des
Hydrogène H Liquides de l'organisme, indispensable Eau
pour les protéines, glucides et lipides
Oxygène 0 Indispensable pour la respiration, les Air et eau
liquides de l'organisme, les protéines,
glucides et lipides
Azote N Constituant des protéines, des acides Viandes et poissons
nucléiques, de la chlorophylle
Phosphore P Indispensable pour l'ATP, les phospholi­ Viandes et lait
pides, les acides nucléiques
Soufre S Composant des protéines, de la coen­ Viandes, poissons, œufs
zyme A
Chlore Cl Équilibre ionique au travers des mem­ Sel de cuisine, aliments
branes, suc gastrique salés
�
Sodium Na Équilibre ionique au' ·travers des mem­ Sel de cuisine, aliments
branes salés
Potassium K Équilibre anion-cation au travers des Viandes, légumes verts
membranes, influx nerveux
Calcium Ca Composant des os, des dents, des coquilles Eaux dures, lait
des invertébrés, des parois des cellules
végétales, indispensable pour la coagula­
tion sanguine
0
Éléments, atomes et électrons 3
Tableau 1.2 Oligoéléments importants pour le règne végétal et animal
Nom Source utilisable
Symbole Rôle dans les organismes vivants
de l'élément par l'horn..me
Bore B Division cellulaire harmonieuse aux points
de croissance des plantes
Fluor F Constituant des dents et des os Eaux dures, lait
Iode Indispensable pour la thyroxine dans la Eau potable, fruits de mer,
thyroïde sel de cuisine iodé
Sélénium Se Élimination des entités à oxygène actif Fruits et légumes
par la glutathion-peroxydase
Manganèse Mn Croissance des os Présent dans toute une
série d'aliments
Fer Fe Transporteur d'oxygène dans la myoglo­ Foie, viandes rouges, épi­
bine et l'hémoglobine, cofacteur dans de nards
nombreuses réactions de réduction/oxy­
dation (redox)
Cobalt Co Indispensable dans la vitamine B12 favori­ Foie, viandes rouges
sant l'érythropoïèse
Cuivre Cu Transporteur d'oxygène dans l'hémocya­ Présent ans toute une
Q.
nine de certains invertébrés, composant série d'ali ents
ln
de la cytochrome-oxydase, une enzyme
qui intervient dans la chaîne respiratoire
de presque tous les eucaryotes
Zinc Zn Indispensable dans l'anhydrase carboni­ Présent dans toute une
que assurant le transport du dioxyde de série d'aliments
carbone dans le sang
Molybdène Mo Présent dans des enzymes du règne
végétal assurant la fixation de l'azote et
la synthèse des acides aminés
Silicium Si Présent dans les parois de cellules végé­
tales et dans les exosquelettes d'inverté­
brés marins
rend compte que 12 g de carbone contiennent 6 1023 atomes indivi­
x
duels. Ce nombre correspond à la constante d'Avogadro. Il est important
parce qu'il nous permet de comparer les masses d'éléments différents.
Un atome isolé est beaucoup trop petit pour pouvoir être pesé, de sorte
qu'on se réfère toujours à la masse de 6 1023 atomes2 d'un élément, ce
x
que l'on appelle la masse atomique de l'élément. Ainsi, la masse atomi­
que du carbone est 12 g. Il est plus intéressant encore de comparer la
masse atomique d'un élément à un douzième de la masse atomique du
carbone et d'appeler la valeur obtenue la masse atomique relative (Ar).
La masse atomique relative du carbone vaut alors 12 (sans unités), celle
de l'hydrogène vaut 1 et celle de l'oxygène vaut 16.
c'est-à-dire une mole d'atomes, la mole étant l'unité de quantité de matière
2(s. yNmbdo.Tler:. : mol).