VIII. Biologie

La vie

La biologie est la science qui étudie les organismes c-à-d les systèmes biologiques (nous utiliserons souvent le pléonasme "organisme vivant"). Mais comment définir objectivement la vie, c-à-d par une définition permettant de classer sans hésitation tous les corps en deux groupes "vivants" et "non-vivants".

On utilise aussi les termes de corps "animé" vs "inanimé", du latin "animare" (« donner de la vie ») et "anima" (« souffle, vie »).

Classification

L'image suivante illustre l'arbre phylogénétique de la vie, qui montre des relations de parenté entre des groupes d'êtres vivants (ancêtre commun, descendants, groupes frères, ...). Pourtant, il n'existe pas de définition unanime de ce qu'est la vie ! Dans ces conditions on ne s'étonnera pas de constater que cette représentation s'est complexifiée au gré des découvertes scientifiques et du progrès technologique (microscope optique puis électronique *), révélant une grande diversité des formes de "vie". Ainsi l'on sait aujourd'hui que les animaux et les végétaux ne constituent qu'une partie des "organismes vivants".

(*) Alors que le microscope optique exploite les photons, le microscope électronique exploite des électrons, dont la longueur d'onde est 100.000 fois inférieure à celle des photons, et permet ainsi de distinguer des organismes non discernables par les photons (dont les virus, les bactéries étant à peine discernables au microscope optique). Dans les deux cas un faisceau est envoyé, au travers de lentilles, sur le corps observé.

Définitions

Des biologistes ont proposé les trois critères suivants pour définir la nature vivante d'un organisme :

• réponse à des stimuli : capacité à réagir et s'adapter à l'environnement (exemple : les feuilles des végétaux se tournent vers la lumière) ;
• échanges avec l'environnement : notamment ingérer matière & énergie, puis évacuer des déchets ;
• reproduction autonome : existence d'ancêtres et descendants, multiplication et évolution.

Or les robots répondent à ces trois critères, ou sont en passe de le faire (ils pourraient théoriquement être programmés pour se reproduire tout en améliorant leur capacité). Faut-il en déduire que les robots sont des êtres vivants, ... ou bien que les trois critères ci-dessus ne sont pas pertinents pour définir la vie ?

N.d.A. La notion de machine biologique pourrait conduire à définir la vie comme étant « la capacité à éprouver des sentiments », et à attribuer au sentiment une définition qui ne pourrait être appliquée par une machine.

N.d.A. La définition dénommée "Lyfe" [source] a été conçue afin d'éviter une définition "Terro-centrée". Elle est composée de critères plus proches de la physique et de la chime que de la biologie :

• structure dissipative : système spatialement "auto-organisé" (apparition de symétries) via des échanges d'énergie avec le reste du monde (NB : proche des deux premiers critères de la définition précédente) ;
• autocatalyse : capacité d'un système de modifier la vitesse de réactions chimiques endogènes ;
• homéostasie : autorégulation de propriétés physico-chimiques d'un système, afin de le maintenir dans un état d'équilibre, c-à-d afin de neutraliser l'augmentation de son entropie (NB : implique les deux premiers critères de la définition précédente, ainsi, me semble-t-il, que le critère précédent ...) ;
• apprentissage : capacité à acquérir un savoir-faire.

Ces deux définitions sont finalement assez proches, sauf pour ce qui concerne leur dernier critère : ainsi l'apprentissage remplace la reproduction ...

Un virus est un acide nucléique (ARN ou ADN) entouré d'une capside de protéines. Il dispose donc de son propre matériel génétique. L'image ci-contre montre différentes formes de capsides (ces capsides sont composées d'unité protéiques ou capsomères : cf. points vert sombre dans l'image ci-contre).

Les capsides sont généralement incluses dans une enveloppe, dont émergent des glycoprotéines.

On a pu vérifier expérimentalement (notamment avec la mosaïque du tabac) qu'en mélangeant de l'ARN viral et des sous-unités protéiques issus ("isolés" à partir) d'un virus, ont provoque un auto-assemblage conduisant à la création d'un virus du même type.

Cependant le virus ne dispose pas de système métabolique du carbone et de l'énergie ⇒ pas de système de Lipman (enzymes du métabolisme cellulaire, permettant de reproduire de l'ADN et de fabriquer des protéines) ⇒ il doit donc parasiter d'autres organismes pour se reproduire. L'image suivante illustre l'utilisation du métabolisme de la cellule hôte pour répliquer l'ADN viral, puis produire les protéines constituant la capside de chaque reproduction.

Cette reproduction peut prendre deux formes :

• la lyse, qui conduit à la destruction de l'hôte ;
• la lysogénie, par laquelle l'ADN viral s'insère dans le chromosome de l'hôte (N.d.A : ce qui ressemble à une mutation ...) ⇒ de nombreuses cellules des organismes vivants contiennent des gènes provenant de virus (à ADN).

  Si cette cellule hôte lysogénée est alors soumise à un stress (rayons UV, ...) le virus a la capacité de se sauver en provoquant un cycle lytique (donc la mort de l'hôte) ! Cependant il arrive que la lysogénie ne soit pas réversible en lyse, ce qui explique que de nombreuses cellules contiennent des gènes provenant de virus.

La multiplication d'un virus au sein de la cellule hôte n'est pas un processus de division mais de réplication : la particule virale se décompose, puis est reconstruite en de multiples exemplaires par auto-assemblage des différents composants que la cellule fabrique sous le contrôle du génome viral [source p.56].

En raison de l'absence de capacité de reproduction autonome, le consensus scientifique est que les virus ne sont pas des organismes vivants. C'était du moins la situation jusqu'à la fin du siècle passé, car depuis lors le progrès technologique a quelque peu bousculé ce "consensus".

Les techniques de séquençages de l'ADN permettent aujourd'hui d'analyser les séquences de nucléotides qui forment les acides nucléiques ("lettres" de l'ADN) de très nombreux organismes (cf. image ci-contre).

Quant à la bio-informatique elle a permis de (i) comparer des séquences de nucléotides (NB : quand on analyse un génome, c'est sur des petits morceaux, qui doivent être recombinés pour obtenir la séquence complète) et (ii) d'établir l'arbre phylogénétique d'un virus ⇒ notamment d'observer l'évolution géographique des mutations (NB : ce qui peut avoir pour effet de faire croire que les mutations seraient plus nombreuses que par le passé, alors que ce n'est que leur recensement qui a été amélioré : ce phénomène fut particulièrement prégnant durant la crise de la covid-19).

On a ainsi pu constater que les trois branches de l'arbre phylogénétique des espèces ont une série de protéines en commun, ce qui conduit la plupart des biologistes à en conclure à l'existence d'une origine commune (N.d.A. : pourquoi n'y aurait-il qu'une seule origine : le phénomène décrit ci-dessus ne pourrait-il être le résultat d'évolutions initiées en divers lieux ...?).

En outre cette origine commune serait fondée uniquement sur l'ARN, acide nucléique pourvu de fonctions de mémorisation et de catalyse ⇒ notion de ribozyme (ARN avec activité enzymatique).

La vie se serait développée par des réactions chimiques capables de s'auto-entretenir, et de mémoriser de l'information pour pouvoir la reproduire ⇒ processus évolutif (dont acquisition d'une membrane cellulaire).

Mais une transformation a du avoir lieu, puisque tous les organismes vivants actuellement connus ont leur matériel génétique sous forme d'ADN. Une thèse est que les cellules eucaryotes (cellules à noyau) seraient issues de macro-virus dont l'usine virale (mécanisme permettant à ce type de virus de se protéger des système de défense de l'hôte) se serait transformée définitivement en noyau.

Les virus
et la vie

Les virus sont partout. Ainsi dans cette photo d'une goutte d'eau de mer, les points les plus petits sont des virus (cf. ovale), le plus gros un protiste (cf. cercle), et ceux de taille intermédiaire des bactéries (cf. rectangle). Les virus jouent un rôle majeur dans le cycle du carbone océanique.

Étant donné l'omniprésence des virus, on ne s'étonnera donc pas que les êtres vivants échangent des gènes non seulement par la reproduction, mais aussi en les combinant avec ceux des virus et des bactéries. On estime ainsi qu'environ 70% du matériel génétique sur Terre serait d'origine virale. On sait aujourd'hui que 8% de l'ADN humain est constituée de vestiges de gènes transmis par des virus. Le corps humain contient ainsi dix à cent fois plus de virus que de cellules humaines.

• Donnée importante concernant le risque épidémiologique : sur 5.000 espèces recensées de ces virus, seulement 2,5% sont jugées pathogènes.
• Le corps humain contient également plus de bactéries que de cellules humaines. À lui seul, notre tube digestif contient 100 milliards de bactéries [source].

N.d.A. Alors un virus est-il un organisme vivant ou non ? Depuis la découverte, par une équipe dirigée par Didier Raoult, de virus géants (que l'on pensait être des bactéries), dont le virophage Mimivirus, capable d'infecter d'autres virus pour se répliquer, la thèse des virus incapables de se reproduire entre eux s'effondre, et les virus géants peuvent alors être considérés comme des organismes vivants. Quoi qu'il en soit, une chose est évidente : les virus, géants ou pas, sont intimement liés au processus vital.

La cellule

La cellule est elle-même un organisme vivant, avec ceci de particulier qu'elle constitue l'organisme vivant élémentaire c-à-d tel que :

• ses constituants ne sont pas des organismes vivants (notion de "machinerie cellulaire") ;
• elle constitue la "brique élémentaire" dont sont faits tous les organismes vivants (NB : il existe des organismes composés d'une seule cellule, tel que l'euglène qui est une algue);

Les cellules exercent des fonctions biologiques. Par exemple les globules rouges – qui sont un des trois types de cellules constitutives du sang (avec les globules blancs et les plaquettes) – ont pour effet de transporter les gaz respiratoires des poumons vers les organes.

Il existe différentes façons de classer les cellules en types de cellules, une d'elle consistant à distinguer cellules animales et cellules végétales. Mais la typologie la plus fondamentale est probablement celle distinguant les cellules selon qu'elles comportent ou pas un noyau :

• procaryotes : cellules sans noyau (typiquement les bactéries) ; taille : 1-10 µm (1 μm = 10⁻⁶ m, c-à-d un millième de mm) ;
• eucaryotes : cellules avec noyau (qui dans l'évolution de la vie sont apparues longtemps après les procaryotes) ; taille : 10-100 µm.

Étymologie : du grec "caryote" : noyau, "pro" : avant (NB : les procaryotes sont apparus avant les eucaryotes), "eu" : bon.

Dans les deux types de cellules la membrane plasmique délimite la cellule et sépare le milieu extracellulaire du cytoplasme. Ce dernier désigne le milieu intracellulaire dans lequel les composantes de la cellule, appelées organelles, sont en suspension (eucaryotes : noyau, mitochondries, appareil de Golgi...).

La bactérie, probablement l'organisme unicellulaire le plus simple, vérifie les trois critères définissant un organisme vivant :

• réponse à des stimuli : elle peut détecter de la nourriture et se diriger vers elle, à l'aide de cils situés sur sa membrane ;
• échanges avec l'environnement : au travers de sa membrane elle ingère matière & énergie, puis évacue des déchets ;
• se reproduisent de façon autonome : elle se reproduit, par division cellulaire (pincement de la membrane).

Certaines cellules circulent dans l'organisme (exemples : globules rouges du sang, bactéries, ...), tandis que d'autres sont jointes entre elles pour former un tissus cellulaire, comme illustré dans cette photo (au microscope optique) d'une pelure d'oignon. On y distingue clairement la membrane et le noyau de chaque cellule du tissus.

L'organisme humain est ainsi composé d'environ cent mille milliards (100.000.000.000.000) de cellules. Mais il existe également des organismes unicellulaires c-à-d composés d'une seule cellule. C'est le cas des bactéries, ou encore de l'euglène, une algue, dont le noyau apparaît en rouge sur la photo ci-contre (alors que les bactéries n'ont pas de noyau).

Le fait que les composants de la cellule ne sont pas eux-mêmes des organismes vivants posent une question passionnante : qu'est ce qui fait qu'un assemblage de corps non-vivants (la "machinerie cellulaire") devient vivant ? Qu'est-ce qui explique ce passage de la matière inerte à la matière animée ?

En fait nous avons déjà posé les prémisses de la réponse à cette question, dans la section #cohesion-electromagnetique, où nous avions montré le rôle fondamental joué par l'électricité dans les interactions dynamiques et chimiques entre atomes, via des forces d'attraction et répulsion. Nous avions vu ensuite le rôle complémentaire joué par la notion de différence de potentiel énergétique dans ces interactions.

Nous allons étudier ici comment ces phénomènes physiques et chimiques peuvent expliquer le passage de matière inerte à matière vivante. Pour ce faire nous allons grimper de l'échelle atomique à l'échelle moléculaire, puis à celle de cellule, et enfin aux tissus organiques. Les tissus organiques sont constitués de cellules organiques, elles mêmes composées de molécules chimiques, elles-mêmes constituées d'atomes.

Machinerie
cellulaire

Il y a là une analogie flagrante avec le système d'exploitation d'un ordinateur, qui gère le bon fonctionnement de ses programmes (le système d'exploitation, étant un programme gérant les autres, est qualifié de "méta-programme"). Par exemple lorsque la température des processeurs dépasse un certain niveau, le ventilateur est automatiquement actionné par le système d'exploitation, jusqu'à ce que la température des processeurs soit redescendue en-dessous de la limite maximale programmée.

Le métabolisme des organismes vivants ne gèrent pas que le traitement d'informations (les bits pour l'ordinateur) et d'énergie (l'électricité pour l'ordinateur), mais plus généralement de matière. La cellule peut donc être vue comme unité de production non seulement de "services" mais aussi de "produits" de base. À titre d'illustration, on pourrait faire les analogies du tableau suivant (NB : toute analogie est partiellement abusive ou restrictive).

	Usine	Cellule
Protection	enceinte	membrane cellulaire
Input	matière première + énergie
Output	produits/services finis + déchets (*)
Production	ouvriers + machines	molécules
Gestion	direction + ingénieurs	ADN

(*) La notion de "déchet" est relative : ce qui est inutile voire toxique par un organisme peut utile pour un autre type d'organisme. Ainsi notre flore intestinale est constituée de bactéries qui digèrent certains aliments que nous digérons mal : ainsi ce sont dans leurs déchets que notre organisme va trouver certaines substances dont il a besoin.

N.d.A. Concernant les fonctions assumées par les cellules (ligne "output" du tableau ci-dessus) on peut les regrouper comme suit :

• fonctions spécifiques aux cellules spécialisées (cellules du sang, de la peau, des muscles, du système nerveux,...) ;
• fonctions propres à toutes les cellules c-à-d nécessaires à leur fonctionnement : se reproduire, se nourrir, se déplacer et se défendre.

Au niveau des organites cellulaires, qui sont propres à toutes les cellules, les cellules spécialisées se caractérisent par des niveaux de développement différents de ces organites.

Molécule
biologique

Le tableau et le schéma supra suggèrent que c'est au niveau des molécules qu'opèrent les mécanismes par lesquels des corps non vivants constituent l'organisme vivant élémentaire qu'est la cellule.

Nous avons vu qu'une molécule est un assemblage d'atomes liés par des forces électrique (cf. #cohesion-electromagnetique). Contrairement à la molécule d'eau par exemple (H₂O), les molécules biologiques sont plus complexes et donc plus grandes par nature, ce qui est logique : les fonctions biologiques qu'elles assument doivent bien reposer sur quelque chose de matériel. Deux exemples de molécules biologiques sont :

• le glucose (C₆H₁₂O₆) : est un sucre, utilisé comme source d'énergie par la plupart des organismes vivants ;
• la cystéine (C₃H₇NO₂S) : est un acide aminé, les acides aminés sont les molécules de base des protéines, qui se présentent spatialement sous la forme de chaînes d'acides aminés.

Agencement spatial des atomes. Une autre molécule, bien plus célèbre, est le cholestérol (C₂₇H₄₆O). Nous l'évoquons ici pour illustrer le fait que des molécules peuvent êtres composées d'un grand nombre d'atomes différents, de sorte que l'agencement spatial de ces molécules peut prendre un grand nombre de formes différentes Par conséquent la représentation imagées des molécules, sous formes de sphères reliées par des bâtonnets, ne fait sens que pour des molécules simples : en effet en cas de grand nombre d'atomes, le nombre de combinaisons possibles pour leur agencement spatial est considérable (approfondir : à chaque combinaison spatiale d'une même molécule ne correspond-il pas un profil fonctionnel spécifique ?).

Économie. Le grand nombre de molécules différentes (des milliards de milliards), et partant leur variété et complexité, est le résultat d'un nombre étonnamment limité d'atomes : une centaines connus à ce jour (cf supra #tableau-periodique). Et cette économie de moyens est encore plus frappante dans le cas des molécules biologiques (c-à-d constitutive de cellules) dont la quasi totalité est composée de ... six type d'atomes différents : carbone, hydrogène, oxygène, azote, phosphore et souffre (CHONPS).

L'agencement spatial des atomes d'une molécule est un élément déterminant de ses propriétés physico-chimiques ⇒ de ses fonctions biologiques. Cela est parfaitement illustré par les phospholipides dont la forme est caractéristique :

• une tête : hydrophile, centrée ici sur un atome de phosphore. ;
• une double queue : hydrophobe, sous forme de chaînes lipidiques.

Ces propriétés mécanique (leur forme) et chimique (interaction attractive ou répulsive avec l'eau), ont pour effet que, lorsqu'ils baignent dans l'eau, les phospholipides réagissent automatiquement en s'organisant spatialement, selon une régle simple : les têtes s'orientent vers l'eau, tandis que les queues s'orientent dans le sens opposé. Ainsi, s'ils sont suffisamment nombreux, ils forment alors une micelle de phospholipides (cf. image ci-contre).

Dans cette dynamique il peut arriver qu'une micelle se construise autour d'une masse d'eau. Les mêmes règles d'orientation conduisent alors automatiquement à une structure de type "sphère avec noyau" dont les surfaces externe et interne sont constituées par les têtes hydrophiles.

La parois de cette sphère est ainsi composée d'un bicouche lipidique, que l'on peut voir également comme une ... membrane cellulaire ! Voilà qui illustre parfaitement le fait que les cellules sont composées de molécules.

Étudions maintenant la plus célèbre des molécules : l'ADN.

L'ADN

L'acide désoxyribonucléique, ou ADN, est une macromolécule biologique présente dans toutes les cellules. Cette molécule fondamentale du phénomène vital est constituée de cinq des traditionnels six atomes composants des molécules : carbone, hydrogène, oxygène, azote, phosphore (le sixième étant le souffre, cf. CHONPS).

L'ADN contient le programme de la machinerie cellulaire, et donc de la vie ! Ce faisant il constitue également un "patrimoine génétique" déterminant l'aspect et les capacités propres à chaque individu, et que celui-ci transmet à ses enfants.

Structure

L'ADN a l'aspect d'une pelote de fil, et l'image ci-contre montre la structure de ce fil.

Il s'agit donc d'une sorte d'échelle torsadée (en colimaçon), que l'on appelle structure "en double hélice". Les échelons de cette échelle comportent en leur milieu une zone vide mais constituant un champ d'attraction entre les deux parties de chaque échelon (et donc entre les deux montants).

En outre il n'y a que quatre types de demi-échelon : A pour adénine (ici en bleu), C pour cytosine (rouge), G pour Guanine (orange), T pour Thymine (vert). Ces demi-échelons ne s'associent que par deux types de couples : (A,T) et (C,G).

L'illustration ci-dessous montre que chaque demi-échelon est une molécule, et que l'espace en son milieu est en réalité une liaison chimique (double flèches jaunes) avec un atome d'hydrogène (sphères blanches) [sur les liaisons chimiques cf. supra : #cohesion-electromagnetique].

Programme. Cet alphabet chimique composé de seulement quatre lettre permet de composer le message chimique que représente l'ADN. Celui-ci est composé de 3.400 millions exemplaires des quatre lettres (A,C,G,T), soit environ 3.400 livres de mille pages. En terme fonctionnel on peut faire l'analogie suivante : l'ADN est à la machinerie cellulaire ce que le système d'exploitation (le programme gérant le fonctionnement des autres programmes) est à l'ordinateur.

Cette structure de l'ADN et sa fonction de messagerie chimique sont communes à tous les organismes vivants : des bactéries aux humains, et tous les organismes constituant les règne animal et végétal. Par contre on observe un diversité dans une seconde fonction de l'ADN, induite par la première : la reproduction.

Reproduction. La messagerie ADN sert notamment dans la reproduction de l'organisme vivant, car l'ADN est fait pour être copié et reproduit (duplication). Il existe différents modes de reproduction, le plus simple étant celui des bactéries, que nous allons présenter ici.

Les bactéries, organismes unicellulaires sans noyau, sont présentes dans tous les types de biotopes rencontrés sur Terre. Elles ont une importance considérable dans les cycles biogéochimiques comme le cycle du carbone et la fixation de l’azote de l’atmosphère. Un nombre important de bactéries vit dans le corps humain. La plupart de ces bactéries sont inoffensives ou bénéfiques pour l'organisme. Il existe cependant des espèces pathogènes à l'origine de maladies infectieuses. Enfin les bactéries sont utiles dans des processus de fabrication (agro-alimentaire, chimie, ...) et de recyclage (traitement des eaux usées,...).

L'ADN baigne dans le milieu cellulaire, qui comprend d'autres éléments cellulaire (machinerie cellulaire) dont des nucléotides, qui sont des molécules que l'on peut comme voir comme des demi-échelons (ou des composés de demis-échelons). La reproduction se fait par séparation des deux montants de l'échelle ⇒ des nucléotides libres du milieu cellulaire viennent "s'accoupler" avec un partenaire situé sur un montant : A avec T et C avec G ⇒ à la fin de ce processus on obtient deux échelles identiques.

Le graphique ci-dessus illustre ce mécanisme de duplication d'un brin d'ADN, par insertion de nucléotides libres : la séparation des deux montants se propage sur la longueur de l'échelle (ici vers le haut) comme une tirette ouvrante. Sur cette image on voit un couple A-T prêt à se dédoubler : à gauche A va se lier avec un T venu du milieu cellulaire pour former A-T, et à droite T va se lier avec un A venu du milieu cellulaire pour former A-T.

Une fois la duplication de l'ADN réalisée, la cellule comprends alors deux pelotes d'ADN, ce qui va déclencher un mécanisme de pincement de la membrane cellulaire entre les deux pelotes, jusqu'à division en deux cellules comprenant donc le même ADN (... du moins en théorie car en pratique il y a de nombreux "accidents" de reproduction, produisant ainsi des "variants"). Ce processus dure une vingtaine de minutes (dans la section #exponentielle supra nous avons étudié la multiplication exponentielle d'Escherichia coli).

Des organismes plus évolués ont développé d'autres modes de reproduction, permettant d'évoluer plus rapidement. C'est le cas de la reproduction sexuée, qui comme sont nom l'indique implique l'accouplement de deux organismes de sexes différents. Chaque parent donne ici 50% de son ADN (*), de sorte que les enfants ressemblent à leurs parents, mais sans en constituer des copies. D'autre part la composition des deux portions parentales varie à chaque reproduction, de sorte que les frères et soeurs ne se ressemblent pas non plus totalement (sauf chez les vrais jumeaux, appelés "monozygotes", qui ont le même ADN).

(*) Chaque chromosome est copié depuis le génome du père ou de la mère dans le gamète puis dans les cellules de l'enfant ⇒ chaque chromosome est donc d'origine paternelle ou maternelle, mais en moyenne l'origine est également répartie entre père et mère (N.d.A : en raison d'un processus aléatoire ?). Cependant le gène du père est généralement identique à celui de la mère : les deux copies du gène, de l'insuline par exemple, sont généralement identiques [source].

Conclusion. L'ADN est le "programme" de la "machinerie cellulaire", et joue un rôle fondamental dans la reproduction. À l'instar de l'empreinte digitale, le message que représente l'ADN est propre à chaque individus (sauf pour les jumeaux monozygotes), mais le fonctionnement de la messagerie est commun à tous les organismes vivants. N.d.A. : les différences d'aspect et de performance entre individus d'une même espèce ne sont pas seulement génétiques, mais également acquises durant la vie.

Soulignons également qu'il n'y a pas de corrélation entre d'une part la taille ou la complexité apparente d'un organisme, et d'autre part la taille de son génome : ainsi l'homme a beaucoup moins de gènes qu'un grain de riz ! Enfin certaines bactéries ont jusqu'à 40 % de gènes qui ne servent à rien.

Voici une cellule animale eucaryote. L'ADN se trouve dans le noyau (en violet dans l'image ci-contre) généralement sous forme diluée (chromatine).

Cependant, dans certaines phases de la reproduction cellulaire apparaissent dans le noyau des chromosomes (ADN enroulé autour de protéines), dont le caryotype humain est composé de 22 paires de chromosomes, plus une paire XY (garçon) ou XX (fille).

Nous avons vu que la reproduction cellulaire se fait par mitose c-à-d que les cellules séparées sont des duplications exactes de la cellule souche. Cependant les cellules dites "sexuelles" (gamètes), c-à-d impliquées dans la reproduction sexuée, se divisent par méiose, c-à-d que les cellules séparées contiennent chacune un des deux brins des chromosomes de la cellule souche : les gamètes mâles et femelles qui interviennent dans la reproduction sexuée ne reçoivent donc qu’une seule copie de chaque chromosome. En conséquence, lors de la fusion entre les gamètes mâle et femelle, un génome diploïde est reconstitué.

Après la reproduction des cellules, passons maintenant à celle des individus qu'elles constituent. Dans le cas de reproduction sexuée (cas des humains) un individu de sexe "mâle" se reproduit avec un individu de sexe "femelle" par fusion de cellules sexuelles (spermatozoïdes du mâle avec ovules de la femelle). Après fécondation d'une gamète femelle (ovule) par une gamète mâle (spermatozoïde), les chromosomes mélangés se recombinent, de sorte qu'il n'est plus possible de distinguer ce qui provient du père de ce qui provient de la mère.

Le fait que les enfants sont différents des parents favorise la vitesse de l'évolution et atténue l'impact d'éventuelles défaillances chromosomiques d'un des parent (les chromosomes provenant de l'autre parent pouvant alors y suppléer).

Notons enfin que l'on trouve de l'ADN ailleurs que dans le noyau des cellules. On en trouve également dans leurs mitochondries, qui constituent leur système respiratoire et énergétique des cellules. Ces organites cellulaires seraient des bactéries primitives (les bactéries contiennent également de l'ADN en boucles) qui ont été intégrées aux cellules par symbiose (association intime et durable entre deux organismes d'espèces différentes).

Génétique

La génétique est la science des caractères héréditaires, c-à-d qui se transmettent d'une génération à l'autre, via la reproduction d'enfants par des parents. La génétique étudie :

• les modes de transmission entre générations
• les modes d'expression des gènes sur un individu.

Les chromosomes (rappel : un chromosome est une molécule d'ADN enroulée autour de protéines), jouent un rôle central dans la transmission ainsi que l'expression des gènes.

Au 19° siècle Mendel a pu constater expérimentalement – en l'occurrence sur la couleur des pois – ce que nous appelons aujourd'hui "lois de Mendel" ou encore "lois de l'hérédité". Celles-ci permettent d'expliquer :

• qu'un croisement entre pois vert et jaune donnera 100% d'enfants jaunes ;
• qu'un croisement entre deux de ces enfants jaune donnera 75% d'enfants jaunes et 25% de verts.

Pour expliquer théoriquement ce phénomène empirique, la théorie de Mendel postule :

1. que chaque enfant reçoit de ses parents des données génétiques potentielles appelées "allèles" (ou encore "gènes"), sous forme d'une paire d'allèles, appelée génotype (en l'occurrence un génotype "couleur" : cf. les doubles cases de l'image ci-contre)." ;

   Le génotype est également appelé "composition allélique du gène".

2. qu'un allèle peut être dominant (ici le jaune, symbolisé par un J majuscule) ou récessif (ici le vert, symbolisé par un v minuscule), c-à-d que dans un génotype mixte l'allèle dominant l'emporte ; on appelle "phénotype" (du grex "phaínô" signifiant "montrer") l'allèle qui est physiquement exprimé c-à-d dont la potentialité est réalisée.

Sur base de ces deux postulats on peut alors établir un tableau illustrant toutes les génotypes possibles, c-à-d toutes les combinaisons possibles d'allèles, concernant la génération issue de parents du génotype mixte. Il apparaît alors qu'apparaissent effectivement 3/4 de caractères dominants et 1/4 de récessifs, ce qui confirme la pertinence des postulats.

On peut ainsi déduire les génotypes (les cases de l'image ci-contre) à partir des phénotypes. Imaginez que dans l'image ci-contre toutes les cases sont vides ⇔ n'apparaissent que les phénotypes. Partons du phénotype vert de la génération zéro :
(1) vu que le vert est récessif, alors le génotype du parent vert est nécessairement (v,v), (dit "pur" par opposition à "mixte") ;
(2) ⇒ tous les enfants ont nécessairement un allèle vert (puisque chaque parent transmet un des ses allèles) ;
(3) or ces enfants sont de phénotype jaune ⇒ leur second allèle est nécessairement jaune (qui est dominant) ;
(4) ⇒ comme 100% des ces enfants ont l'allène jaune, c'est donc que le parent dont il provient est de phénotype (J,J) plutôt que (J,v) ;
(5) enfin les parents de la dernière génération ayant le même génotype mixte (v,J), on retrouve les quatre génotypes possibles chez leurs enfants, auxquels correspondent bien les proportions 75%-25% des phénotypes.

Notons que l'on détermine l'allèle dominant par l'observation. Ainsi les statistiques montrent que les yeux de couleurs foncées sont dominants ⇔ les yeux de couleurs claires sont récessifs.

N.B. La présente synthèse incorpore l'erratum ajouté par Clipedia en-dessous de la vidéo.

Nous venons d'évoquer le modèle dit "de dominance". Cependant celui-ci ne permet pas d'expliquer que des parents possédant des phénotypes purs différents (par exemple un perroquet au plumage bleu, avec un autre au plumage jaune) donnent des enfants présentant un mélange (on dit aussi "simultanéité") de phénotypes. Il faut pour cela introduire la notion de codominance, dont on pourrait à priori distinguer deux types :

• codominance mixte : plumes bleues avec plumes jaunes ;
• codominance fusionnée : plumes vertes.

Malheureusement la dénomination scientifique n'est pas celle-là, et sème plutôt la confusion :

• la codominance mixte est appelée codominance ;
• codominance fusionnée est appelée dominance incomplète.

Et qu'en est-il des mélanges non équilibrés ? :

• plus de plumes bleues que de plumes jaunes ;
• un vert tournant plus vers le bleu.

La vidéo évoque cette situation, mais ne mentionne aucune approche théorique pour la modéliser. Ces remarques étant faites, poursuivons l'étude des lois de Mendel ...

La première loi de Mendel stipule « l'uniformité génotypique (génotypes identiques pour les 4 cases du tableau des combinaisons) des hybrides de première génération, issus de parents de génotypes purs (c-à-d AA avec bb ou AA avec BB) » :

• "Dominance en F1" : AA avec bb donne 100% de génotypes Ab (⇒ phénotype A) :

  F1	A	A
  b	Ab	Ab
  b	Ab	Ab

  On utilise souvent le terme "Fx" (F pour fécondation) en place de "x-ième génération".

• "Codominance en F1" : AA avec BB donne 100% de génotypes AB (⇒ phénotype mélangé) :

  F1	A	A
  B	AB	AB
  B	AB	AB

La seconde loi de Mendel, appelée "loi de disjonction des caractères", stipule que F2 présente les génotypes de F1 et F0, dans des proportions déterminées.

• "Dominance en F1" : Ab avec Ab donne AA(25%)+Ab(50%)≡A(75%) et bb(25%)≡b(25%) :

  F2	A	b
  A	AA	Ab
  b	Ab	bb

  Analyse : le phénotype b, qui avait disparu en F1, réapparaît (pour 25%) en F2.

• "Codominance en F1" : AB avec AB donne AA(25%)≡A, BB(25%)≡B et AB(50%)≡AB :

  F2	A	B
  A	AA	AB
  B	AB	BB

  Analyse : la codominance, qui était généralisée en F1, partage en F2 50% des enfants avec les deux dominances en parts égales.

Analyse globale : les deux génotypes purs (et donc les phénotypes) de F0 sont présents en F2.

Matière vivante

 1. Composition atomique
 2. Composition moléculaire : les protéines

Composition atomique

Dans le tableau suivant on a rentré les fractions massiques (col. C) des quatre éléments les plus présents dans un humain moyen de 70kg (col. B) ⇒ on en déduit leur masse (col. D). L'on constate alors que ces quatre atomes représentent à eux seuls 96% de la masse corporelle (C7) !

Cependant, les atomes ayant des masses différentes, il importe de calculer également les proportions en termes de moles (cf. supra #mole). Pour ce faire on entre dans le tableur les masses molaires de ces éléments (col. E) ⇒ en divisant la col. D par la col. E on en déduit le nombre de moles (col. F) correspondant à chacun des éléments dans cet individu moyen.

Si l'on exprime alors la quantité de moles en % (fractions molaires : col. G), on constate alors un classement très différent de celui des fractions massiques (col. C) : en terme de fraction massique c'est l'oxygène qui est le plus présent (C2 : 65%), mais en fractions molaires – donc en nombre d'atomes – c'est l'hydrogène qui représente la plus grande part (G4 : 63,4%). L'explication en est que l'hydrogène, qui ne contient qu'un seul nucléon, est le plus léger des éléments.

Cette analyse de chimie quantitative illustre l'utilité de la notion de mole pour calculer le nombre d'atomes contenu dans une certaine quantité de matière.

Un autre résultat surprenant sont les faibles pourcentages du carbone, en masse (C3 : 18%) comme en nombre d'atome (G3 : 9,5%). La raison en est que notre analyse de biochimie quantitative doit être améliorée par le calcul des fractions en résidu sec. L'analyse en résidu sec, c-à-d expurgé des atomes constitutifs de l'eau (soit H et O), se justifie par le fait que l'eau constitue une proportion considérable des organismes vivants : en moyenne 60% chez l'humain (elle varie selon le sexe et diminue avec l'âge).

C'est pourquoi la majorité des atomes qui constituent le corps humain, sont des atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les proportions en fractions molaires – H=63% (G4) et O=26% (G2) – correspondent assez bien avec la proportion des atomes de la molécule H₂O : deux oxygènes pour un hydrogène.

Pour calculer le résidu sec, on procède comme suit (cf. tableau infra) :
(1) soit 60% (C9) la fraction de masse de l'eau contenue dans le corps de 70kg ⇒ cette masse d'eau pèse 0,6*70,8=42,48kg (D9) ;
(2) or la masse molaire de l'eau (E9) est de 18g (cf. supra #mole) ⇒
(3) cette masse d'eau contient 42.480/18=2.360 moles de H₂O (F9) ;
(4) or, une molécule d'eau contenant deux atomes de H et un atome de O ⇒ une mole d'eau contient par conséquent deux moles de H et une mole de O (cf. supra #mole) ⇒
(5) pour retirer de la masse du corps 2.360 moles de H₂O ⇒ il faut retirer 2*2.360=4.720 moles d'hydrogène (F10) et 2.360 moles d'oxygène (F11) :
• H : 7.080-4.720=2.360 (H4)
• O : 2.876-2.360=516 (H2)
(6) on obtient alors la colonne H, qui multipliée par les masses molaires (col. E) donne les masses en résidu sec (col. I).

On constate alors que la fraction massique du carbone est passée de 18% (C3) à 50% (J3), et sa fraction molaire de 9,5% (G3) à 26,0% (K3).

Éléments
minéraux

Les autres éléments constitutifs du corps humain – qualifiés de "minéraux" (tandis que C, H, O, N) sont qualifiés "d'organiques") – sont certes nettement moins présents, mais assurent néanmoins des fonctions importantes pour la constitution ou le métabolisme de l'organisme :

Élément	Masse [%]	Masse [kg(70)]	Utilité
Ca	1,500	1,05	Ossature, dentition, régulation Ph
P	1,000	0,7	à compléter
K	0,250	0,175	Rôle des ions K+ avec ions Na+ dans influx nerveux (potentiel d'action)
S	0,150	0,105	à compléter
Na	0,150	0,105	Rôle des ions Na+ avec ions K+ dans influx nerveux
Cl	0,150	0,105	à compléter
Mg	0,050	0,035	à compléter
Fe	0,006	0,004	Présent dans l'hémoglobine du sang (distribuant l’oxygène des poumons vers les autres organes) et permet à l'oxygène inspiré dans les poumons de s'y fixer.

N'apparaissent pas dans ce tableau les éléments minéraux représentant une masse inférieure à 1g par kg de poids corporel, et assumant pourtant des fonctions vitales pour l'organisme (nous approfondirons ce point dans la section consacrée au métabolisme).

Composition moléculaire : les protéines

Collagène, kératine, hémoglobine, insuline, ..., l’importance de ces molécules appelées "protéines" (du grec ancien "prôtos", qui signifie "premier", "essentiel") s'exprime en terme :

• d'abondance : le corps humain est composé d'environ 60% d'eau, 15% de protéines, 6% de lipides et une vingtaine de pourcents d'autres molécules ;
• d'universalité : on les retrouve chez tous les êtres vivants ;
• de diversité : compositions & structure ⇒ fonctions.

Les protéines sont essentiellement composées de carbone, hydrogène, oxygène, azote et (en plus petites proportions) phosphore et souffre (soit les CHONPS).

Nous allons ici étudier la relation entre structures et fonctionnalités des protéines.

Diversité
structurelle

Comme l'illustre l'image suivante, une protéine peut être spatialement comparée à un collier, dont les perles sont des acides aminés.

Il n’existe qu’une vingtaine d’acides aminés élémentaires différents, mais on peut les combiner en collier de multiples façons, ce qui donne un grand nombre de "complexes protéiques", ayant chacun une fonction spécifique (voire plusieurs). Les protéines peuvent même se combiner avec d’autres types de molécules (glucides, lipides, métaux …), et ainsi former des hétéro-protéines.

Les protéines composées à 100% d'acides aminés sont appelées "holoprotéines". Les autres, appelée "hétéroprotéines", peuvent contenir notamment un glucides (glycoprotéines) ou encore un métal (métalloprotéines, exemple : cas du fer de l'hème de l'hémoglobine, qui permet à l'oxygène de se fixer sur les parois des poumons et d'ainsi être assimilé par l'organisme).

Diversité
fonctionnelle

La diversité fonctionnelle des protéines s'exprime par de multiples fonctions : structuration, mouvement, catabolisme, transport, signalisation, immunisation, stockage, fonctions spécifiques, ... :

• structuration (forme, résistance) :
  • fibres de collagène liées par l'élastine dans le derme (la raréfaction de l'élastine avec l'âge provoque l'apparition de rides) ;
  • kératine des cheveux, poils, ongles, cornes ; ...
• mouvement :
  • contraction musculaire par la mécanique de l'actine et de la myosine ;
    
  • mouvement cellulaire par la dynéine des flagelles des bactéries et spermatozoïdes.
• catabolisme (protéines catalytiques, à terminaisons en -ase) :
  • lactase séparant glucose et saccharose composant la lactose (disaccharide), ce qui rend celle-ci absorbable par l'intestin (ainsi une insuffisance en lactase induit une intolérance au lactose) ; ...
• transport de molécule au travers des parois cellulaires :
  • hèmes de l'hémoglobine, qui sert au transport des gaz respiratoires entre les organes et les poumons ; ...
• signalisation :
  • insuline du pancréas : après ingestion de glucides ⇒ augmentation du taux de glucose dans le sang (glycémie) ⇒ le pancréas relâche de l'insuline dans le sang ⇒ cette hormone permet au glucose (i) d'être stocké dans le foie sous forme de glycogène, (ii) d'être utilisé par les muscles, (iii) en cas d'excès d'être stocké sous forme de tissus graisseux (ainsi le diabète de type 1 est un insuffisance de sécrétion d'insuline par le pancréas, de sorte que le sucre n'est pas utilisé ⇒ l'hyperglycémie est permanente) ; ...
    
• immunisation (immunoglobulines, encore appelées "anticorps") pour l'élimination d'agresseurs externes (antigènes) : bactéries, virus, protéines (dans les cas des allergies) : les anticorps entourent les agresseurs, ce qui en fait des cibles pour les cellules tueuses (telles que les macrophages) ;
• stokage d'ions ou de petites molécules : exemple de la ferritine du foie qui stocke du fer  ;
• fonctions spécifiques :
  • protéines d'anti-gel permettant aux poissons de supporter des eaux très froides ;
  • protéines de fluorescence (méduses, vers luisants,...) ;
  • protéines de colle (permettant par exemple aux moules de s'accrocher aux rochers) ; ...

Structure
atomique

Nous avons vu qu'une protéine peut être spatialement comparée à un collier, dont les perles sont des acides aminés, alors appelés "unités protéiques". Un acide aminé est composé (cf. image ci-contre) d'un atome de carbone entouré par une fonction amine H₃N⁺, une fonction carboxyle COO^- (sur les fonctions chimiques cf. supra #liaison-covalente), un hydrogène et un radical.

Sur plus trois cent sortes d'acides aminés, seuls une vingtaine entrent dans la formation des protéines. Ces unités protéiques se distinguent essentiellement par leur radical (constituant la "chaîne latérale"), qui détermine leurs propriétés physico-chimiques spécifiques (dont leur solubilité et charge).

La plupart des acides aminés sont synthétisés par les cellules de l'organisme (synthèse "endogène"). Cependant neuf ne le sont pas, et doivent donc être apportées par l'alimentation. Ces acides aminés "essentiels" sont : histidine, leucine, thréonine, lysine, tryptophane, phénylalanine, valine, méthionine, isoleucine (mnémotechnique : « Hystérique, le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult »).

Le schéma suivant illustre la liaison covalente (cf. supra #liaison-covalente) entre deux acides aminés : elle se fait entre la fonction carboxyle du premier et la fonction amine du second (liaison "peptidique"), au moyen d'une réaction de condensation (ou déshydratation) c-à-d de formation et éjection d'un molécule d'eau.

L'image ci-dessous détaille la liaison peptidique de quatre acides aminés. Dans la protéine ainsi formée on distingue :

• le squelette protéique ;
• les quatre chaînes latérales de radicaux ;
• aux extrémités :
  • à gauche : la fonction amine terminale ;
  • à droite : la fonction carboxyle terminale ;

Structure
spatiale

La chaîne polypeptidique constituant une protéine se lit toujours de la gauche vers la droite. Cette vision linéaire est cependant très théorique. En effet, par des interactions entre ses acides aminés, cette chaîne peut se replier spatialement, lui conférant ainsi des propriétés physico-chimiques particulières.

Pour analyser la structuration spatiale des protéines on distingue quatre niveaux dimensionnels :

1. la structure primaire concerne l'ordre linéaire ("1D") des acides aminés, qui détermine une séquence protéique spécifique à la protéine ;

   La synthèse des protéines est réalisée par les ribosomes des cellules, en "traduisant" en protéines l'information contenue à leur sujet dans l'ADN.

2. la structure secondaire concerne le type de repliement spatial ("2D") :

   • soit enroulement de la protéine sur elle-même ("hélice alpha"), formant ainsi des filaments ;

     

     Ces repliements sont le fait de liaisons hydrogènes (traits hachurés en noir dans l'image ci-dessus).

   • soit formation de plaques ("feuillet bêta").
3. la structure tertiaire concerne l'organisation spatiale "3D", qui détermine la nature fonctionnelle spécifique à chaque protéine ;

   Les protéines mesurent entre un et cent nanomètres, et ne sont pas visibles avec les microscopes optiques ; cependant, grâce à de nouvelles techniques, il est possible de déduire leur structure spatiale.

4. la structure quaternaire ("3D+") concerne la tendance des protéines à s'associer avec d'autres.

   Cas de l'hémoglobine, composée des quatre globines.

Dénaturation

Mais dans le monde vivant rien n'est figé. Ainsi la dénaturation est le phénomène de désorganisation spatiale, et donc de perte de fonctionnalités, de la protéine, sous l'action d'agents dénaturants de deux types :

• physiques (UV, ultrasons, température) : ainsi la cuisson a pour effet d'attendrir la viande par déstructuration des molécules de collagène des muscles ;
• chimiques (modification du ph, contacts avec un détergent anionique ou cationique) : ainsi l'acidité gastrique favorise la décomposition des aliments.

Nutrition

 1. Métabolisme
 2. Nutriments
 3. Apports journaliers recommandés
 4. Qualité protéique
 5. Renouvellement protéique
 6. Digestion des protéines

Métabolisme

On entend par "métabolisme" (du grec "metabolê", qui signifie "transformation"), l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent au sein d'un organisme vivant et lui permettent de subsister, interagir avec l'environnement, réagir à des stimuli, ou encore se reproduire.

Pour agir, c-à-d exercer des forces sur son environnement (dont lui-même, lorsqu'il s'agit de se mouvoir, réfléchir ou stabiliser sa température corporelle), l'organisme vivant doit consommer de la matière et de l'énergie, c-à-d en ingérer la partie utile et en excréter la partie dégradée (urines, selles, transpiration, ...).

C'est par l'alimentation qu'est assimilée la plupart de la matière et de l'énergie nécessaire au métabolisme. On peut donc en conclure que "nous somme ce que nous mangeons".

Équilibre. La proportion des aliments ingérés est déterminante car :
• à doses trop élevées les minéraux (cf. supra) peuvent être toxiques pour l'organisme ;
• à doses trop faible on parle de carences ;
⇒ notions d'alimentation équilibrée ("un peu de tout") et d'apport journalier recommandé (AJR) par élément.

Élément	Carence	Excès	AJR
Fe	Anémie	Troubles digestifs	10 mg
F	Caries	Troubles rénaux	2,5 mg
I	Retard mental	Hyperthyroïdie	150 µg
Mn	Troubles circulatoires	?	1-2 mg
Zn	Fatigue	Déficit en Cu	10 mg
...	...	...	...

Les AJR sont mentionnés sur la plupart des emballages des aliments industriels (NB : le lecteur attentif aura remarqué que la somme des pourcentages mentionnés est généralement très inférieure à 100% : la part manquante correspond à l'eau contenue).

Nutriments

Les produits alimentaires sont composés de divers types de matière :

• glucides, aussi appelés hydrates de carbone (dont les sucres, l'amidon de la farine, et la cellulose des végétaux, ...) ;
• lipides, aussi appelés matières grasses, dont le beurre, l'huile des oléagineux, et les phospholipides constitutifs des membranes biologiques ;
• protides, aussi appelés protéines, que l'on trouve sous de nombreuses formes :
  • keratine : longues chaînes protéiques constitutives des cheveux ;
  • protéines assurant la dynamique musculaire ;
  • hémoglobine : molécule de transport qui transporte l'oxigène des poumons vers les organes ;
  • insuline : molécule régulant les carences ou excès de certaines substances (dont le sucre) ;
  • enzyme : protéine à effet catalyseur (accélération d'une réaction chimique, parfois jusqu'à un facteur 10⁶ !), telle que l'hélicase qui participe à la séparation des brins d'ADN en brisant les liaisons hydrogènes (cf. supra #ADN) ;

    La capacité de certaines enzymes de briser les chaînes de protéines en fait de bons adjuvants aux lessives pour dissoudre des tâches d'oeuf ou de vin.

  • etc ... il y en a des milliers dans nos cellules.

Les résidus sec du lait (12% du lait) sont composés en proportions relativement équivalentes de ces trois types de matière, ce qui en fait un aliment particulièrement complet.

D'autre substances sont importantes pour le métabolisme : vitamines, et acides nucléiques (dont l'ADN).

N.d.A. Pourquoi vitamines et acides nucléiques sont-ils classés à part des autres substances participant au métabolisme ?

NB : l'ordre des sections de cette synthèse ne correspond pas à celui de la vidéo.

Apports journaliers recommandés

L'OMS a établi un besoin minimal garantissant les fonctions protéiques : 0,83g par kg corporel par jour. Ainsi un homme de 45 ans, d'un poids de 70kg, mesurant 1m82, et dont le PAL (indice d'activité physique modérément active) vaut 1,6 aura besoin d'un AJR de :
AJR = 70 * 0,83 = 58,1 g de protéine/jour
or le coefficient d'Atwater vaut 4 pour les protéines    ⇒
AJR ≈ 58,1 * 4 = 232 kcal protéiques.

Il s'agit là d'une limite basse, la valeur haute recommandée par l'OMS étant fixée à 15% du besoin énergétique total (BET = 2.600 kcal pour cet homme), ce qui donne :
AJR = 2.500 * 0,15 = 390 kcal protéique ≈ 390 / 4 = 97 g de protéines/jour.

La limite maximale (seuil de risque pour la santé) fixée par l'OMS est de 25% du besoin énergétique total.

Un autre indicateur intéressant pour la diététique est le rapport calorico-azoté. On sait que 6,25 g de protéines apporte 1g d'azote (car l'azote représente 16% d'un acide aminé), ce qui fait de la protéine la première source d'azote pour l'organisme.

Or il se fait que ces 6,25 g de protéines ne peuvent être assimilés de manière optimale que si 150 kcal non proétiques (glucides et lipides) sont également assimilés. On estime donc qu'une utilisation optimale des protéines dans l'organisme requiert RCA = kcal non azotées / g protéines ≥ 24.

Qualité protéique

On distingue deux sources protéiques :

• les protéines de haute valeur biologique (PHVB) contiennent les neufs acides aminés essentiels, on les retrouve dans : viande, volaille, poissons, oeufs (VVPO) et produits laitiers :
  • 100g viande/poisson ≈ 20g protéines ;
  • 100ml lait ≈ 4-5g protéines ;
  • 100g fromage ≈ 25-30g protéines ;
• les protéines de basse valeur biologique (PBVB) ne contiennent pas les neufs acides aminés essentiels, on les retrouve dans : céréales et légumineuses (100g ≈ 8-10g de protéine).

N.d.A. Ces masses doivent être comparées avec l'apport journalier recommandé (AJR), dont nous avons vu dans la section précédente, que la limite haute est d'une centaine de grammes de protéines par jour. Si l'on compare ce chiffre à ceux mentionnés ci-dessus, il en résulte que la limite haute de nourriture (variée) par jour est d'environ 700g.

La qualité protéique c-à-d la valeur biologique d'une protéine, dépend de :

• sa richesse en acides aminés essentiels (AAE) ;
• sa digestibilité.

Pour calculer la qualité protéique l'OMS recommande l'indicateur appelé "score chimique corrigé de la digestibilité de la protéine" :
PDCAAS = teneur en AAE limitant dans la protéine (mg) / besoin en cet AAE * digestibilité
où l'AAE limitant est celui dont la quantité dans la protéine est la plus faible, ainsi :
• les céréales sont limitantes en lysine ;
• les légumineuses sont limitantes en méthionine.

Complémentarité protéique. Supposons un plat composé de viande, féculents et légumes, dans des proportions telles que les apports protéiques journaliers sont répartis comme suit :
• 1/3 de protéines animales (des PHVB) ;
• 2/3 de protéines végétales (des PBVB).
⇒ un régime végétarien (pas de viandes) ou végétalien (aucun produits animaux) devra, pour maintenir cet apport protéique journalier, compenser le manque d'AAE qui étaient apportées par les protéines animales :
ainsi 100g de viande (≈ 20g de PHVB) devra être compensé par :
• végétarien : pâtes + oeuf + gruyère
• végétalien : semoule, riz (céréales) + lentilles poids chiche (légumineuses) : céréales et légumineuses compensent leurs manques respectifs en lysine et méthionine.

Renouvellement protéique

Le renouvellement protéique constitue une phénomène central de la digestion. Il s'agit d'un cycle permanent composé de deux phases simultanées :

• la protéosynthèse : synthèse de protéines (+300 g/j) à partir d'acides aminés libres de l'organisme (≈ 70g/j) ;
• la protéolyse : dégradation des protéines corporelles (-300 g/j) pour en refaire des acides aminés libres (≈ 70g/j).

Les acides aminés libres proviennent de l'alimentation (≈ 80g/j), subissent quotidiennement une dégradation irréversible (≈ 80g/j), et sont évacués via urine, selles, transpiration et menstruations .

Dans cette dynamique le bilan azote, c-à-d le différentiel entre apports et pertes azotés, détermine deux situations :

• > 0 ⇔ augmentation de la masse protéique et, partant, de la masse musculaire ;
• < 0 ⇔ fonte musculaire, souvent indice clinique d'une pathologie.

Digestion des protéines

Dans la digestion chimique des protéines, celles-ci sont dégradées par des enzymes qui rompent leurs liaisons, et en font ainsi des acides aminés libres. Ces enzymes peuvent être répartis en trois groupes :

• les endopeptidases (pepsine, trypsine, élastase, chymotrypsine), coupent les liaisons peptidique du centre de la protéine ;
• l'aminopeptidase coupe la fonction amine terminale ;
• la carboxypeptidase coupe la fonction carboxyle terminale.

Cette digestion des protéines se fait en trois grandes étapes, caractérisées par le rôle d'un organe spécifique : estomac ⇒ pancréas ⇒ intestin.

L'estomac sécrète du suc gastrique, qui contient de l'acide chlorhydrique (HCl), du pepsinogène, de la mucine et un facteur intrinsèque. L'effet acidifiant de l'HCl active le pepsinogène en pepsine ⇒ celle-ci va couper les liaisons centrales des protéines.

Après l'estomac, les aliments passent dans le duodénum et jéjunum (deuxième segment de l'intestin grêle), où le pancréas va sécréter son suc pancréatique, qui contient du trypsinogène, chymotrypsinogène, élastase et carboxypeptidase ⇒ les trois premiers enzymes effectuent un nouveau coupage des liaisons situées au centre des chaînes protéiques subsistantes, et la carboxypeptidase coupe la fonction carboxyle terminale ⇒ il ne reste plus que des tripeptides (chaînes protéiques de trois acides aminés) dont une minorité sera absorbée, le reste poursuivant son chemin vers l'intestin grêle, dont les cellules entérocytes de la paroi (muqueuses) sécrètent de l'aminopeptidase et du dipeptidase, qui vont couper les liaisons des tripeptides, les transformant ainsi en acides aminés libres (et quelque dipeptides) qui seront absorbés dans les cellules intestinales d'où elles rejoignent la circulation sanguine ⇒ la veine porte ⇒ le foie, siège de la synthèse protéique.

Système nerveux et cerveau

N.B. En raison des rapides progrès des connaissances en biologie, certaines affirmations de la synthèse ci-dessous font en réalité l'objet de débats au sein de la communauté scientifique.

Le cerveau fonctionne par aires spécialisées : ainsi la vision est gérée par les neurones situés à l'arrière du cerveau, et qui génèrent les images puis les portent à notre conscience. Des zones spécifiques existent également pour les sens du touché, de l'odorat et de l'ouïe.

Le sens du plaisir, étant plus complexe car pouvant être suscité par des activités très diverses (dont l'activité physique : sport, danse, ...), est géré par le système limbique, situé dans la zone basse et centrée du cerveau (cf. image ci-contre). Celle-ci est sa partie la plus archaïque, les couches plus externes étant apparues plus tard dans l'histoire de l'évolution. Le système limbique est ainsi le siège des réactions émotionnelles et instinctives, sur lesquelles la raison aurait peu d'effet.

Une zone de cette région basse du cerveau, le noyau accumbens (point jaune de l'image ci-contre), est un ensemble de neurones qui joue un rôle important dans le plaisir (dont le rire), la peur, ou encore l'effet placebo.

Alors que le noyau accumbens contrôle le ressenti, une autre zone intervient dans le mécanisme biologique du plaisir : l'aire tegmentale ventrale (ATV : point bleu), qui assure une fonction de relai. Située au sommet du tronc cérébral, l'ATV est encore plus archaïque que l'accumbens.

N.B. La présente synthèse est une simplification d'une réalité complexe, où d'autres zones sont actives, dont le septum, l'amygdale, ou encore l'hypothalamus [approfondir]. On réduit ici le mécanisme du circuit de la récompense à la seule interaction entre ATV et accumbens.

Lorsque l'ATV est activée par les nerfs des organes sensitifs (bouche, nez, yeux, oreilles, peau,...), elle envoie un signal électrique au noyau accumbens, ce qui active le ressenti de plaisir. Ce relai est assuré de proche en proche via des neurones et un neuro-transmetteurs spécifique : la dopamine (cf. image ci-contre).

Ainsi un goût ou une odeurs sont ressenties comme agréables parce que les cellules sensorielle de la bouche et du nez envoient un signal électrique vers l'ATV, provoquant ainsi chez celle-ci une sécrétion de dopamine, qui va activer le noyau accumbens, et ainsi générer une sensation de plaisir.

Du plaisir est également généré par l'activité physique (dont le sport et la danse). Nous allons voir comment, et pourquoi.

Nous déclenchons une activité musculaire au moyen du cortex moteur, qui est "programmé" pour, en cas de mouvement, envoyer un signal vers l'ATV. Nous sommes ainsi programmés pour éprouver du plaisir à bouger. Ce plaisir nous permet de trouver la motivation pour exercer des activité vitales : bouger, nous alimenter et entretenir des relations avec autrui (coopération, reproduction). Nous allons étudier ici le fonctionnement de ce "circuit de la récompense".

Lorsque nous bougeons, des neurones du cortex moteur (en vert dans l'image ci-dessous) envoient des neuro-transmetteurs (en l'occurrence de l'acétycholine) vers les neurones de l'ATV (en bleu), via ses axones, terminés par des synapses, qui permettent la la liaison avec l'ATV.

Lorsque les signaux électriques envoyés par les neurones du cortex moteur arrivent dans leurs synapses (en vert dans le schéma suivant), ceux-ci les libèrent des molécules d'acétylcholine (jaune) dans la fente synaptique (espace blanc entre les deux neurones), d'où ils vont se fixer sur les récepteurs (rouge) du neurone ATV (bleu). Cette fixation provoque l'ouverture du récepteur, qui laisse ainsi passer des ions (points noirs) dont des Na⁺, qui vont ainsi déclencher le potentiel d'action du neurone ATV. Celui-ci envoie ainsi à son tour des signaux électriques, vers ses synapses collés aux neurones du noyau accumbens.

On observe alors le même mécanisme pour la terminaison du neurone ATV sur un neurone du noyau accumbens, sauf que cette fois le neurotransmetteur que le signal électrique va activer dans les synapses des neurones ATV est de la dopamine (en outre ce sont des ions Ca⁺⁺ qui déclenchent le potentiel d'action du neurone de l'accumbens).

Addiction

Il y a addiction lorsque ce processus vital qu'est le circuit de la récompense opère en processus pathologique, ce qui peut arriver lorsqu'un individu devient dépendant de substances, comme par exemple la nicotine, un neurotoxique utilisé dans certains insecticides. Voici comment ce processus opère.

Les molécules d'oxygène et d'azote de l'air (O₂ et N₂), plus les molécules de nicotine (C₁₀H₁₄N₂) de la fumée de cigarette, inspirées dans les poumons, se fixent dans les alvéoles des parois pulmonaires (cf. schéma ci-dessous), d'où, en raison de la très petite taille de ces molécules, celles-ci passent au travers des parois pulmonaires, et pénètrent à l'intérieur des vaisseaux sanguins qui entourent les alvéoles. Entraînées par le flux sanguin, les molécules de nicotine sont conduites (en quelques secondes) à l'ATV du cerveau.

Les capillaires sanguins (en rouge dans le graphique ci-dessous) déversent la nicotine dans le liquide extracellulaire ⇒ dans la fente synaptique où, en raisons de leur similitude avec l'acétylcholine, les molécules de nicotines vont pouvoir se fixer sur les récepteurs des neurones de l'ATP, et ainsi déclencher, selon le processus vu plus haut, l'envoie de dopamine en direction des neurones du noyau accumbens.

Ainsi une activité non vitale pourra générer du plaisir, et d'autant plus facilement que l'obtention de cigarettes est chose aisée. L'effet pathologique apparaît alors rapidement : une sollicitation intense et régulière des récepteurs dopaminergiques accélère leur vieillissement puis disparition progressive, de sorte que pour maintenir un même niveau de plaisir (N.d.A. : plaisirs de toutes sortes c-à-d pas seulement celui lié à la cigarette ?), l'individu dépendant devra augmenter ses doses. Cet effet boule de neige aggrave la pathologie en raison des effets secondaires nuisibles de la cigarette (destruction de la vitamine C ⇒ du collagène du derme ⇒ accélération du vieillissement de la peau ; athérosclérose, sclérose pulmonaire, jusqu'aux cancers, ...).

L'addiction est un phénomène très puissant car elle est déterminée par la partie basse du cerveau c-à-d la plus archaïque, siège des actes inconscients, réflexes de protection et instincts de survie. On est donc au-delà de ce qui est contrôlable par la volonté consciente.

Notons enfin que l'on peut fumer pour d'autre raisons que le plaisir, mais cela relève de la psychologie et plus de la biologie.