Molécules, Alimentation, Transport et Santé

Un globule rouge quittant votre poumon transporte de l'oxygène lié à l'hémoglobine, emprunte une artère, traverse un capillaire plus étroit que lui-même, libère l'oxygène vers une cellule respirante, et revient par une veine. Chaque structure de ce trajet est constituée des molécules introduites dans cette unité, et chaque question d'examen liée demande de relier la structure à la fonction.

WBI11 Molécules, Alimentation, Transport et Santé est la première unité IAS : une épreuve écrite de 1 heure 30 minutes, comportant 80 points, toutes obligatoires. Elle évalue le Sujet 1 (Molécules, Transport et Santé) et le Sujet 2 (Membranes, Protéines, ADN et Expression génique). Prévoyez des questions basées sur des données issues d'études de santé, des calculs en notation scientifique et des réponses développées nommant des structures et expliquant des mécanismes.

L'eau est le milieu de transport car c'est un solvant polaire. Dans une molécule d'eau, l'oxygène attire les électrons partagés plus fortement que l'hydrogène : chaque liaison O–H possède une extrémité légèrement négative en O et une extrémité légèrement positive en H. C'est la nature de dipôle de l'eau. Les charges opposées entre molécules voisines forment des liaisons hydrogène, et les particules polaires ou chargées (glucose, ions sodium, acides aminés) se dissolvent car l'eau s'agglomère autour d'elles.

Les glucides sont assemblés et dissociés par deux réactions :

• Condensation élimine une molécule d'eau alors qu'une liaison glycosidique se forme entre deux sucres.
• Hydrolyse ajoute de l'eau pour rompre cette liaison.

Deux molécules de glucose condensent pour former du maltose ; glucose plus fructose donnent du saccharose ; glucose plus galactose donnent du lactose. Les longues chaînes forment des polysaccharides : amylose (liens 1,4, s'enroule en hélice, compacte), amylopectine et glycogène (chaînes 1,4 avec ramifications 1,6 ; le glycogène est le stock animal dans le foie et les muscles). Les ramifications offrent de nombreuses extrémités de chaîne, permettant une libération rapide de glucose ; l'hélice permet de loger beaucoup d'énergie dans un petit espace.

Expérience centrale 1 : estimation de la concentration en sucre et en amidon

Les sucres réducteurs réduisent le réactif de Benedict bleu lors du chauffage, formant un précipité brique rouge. Pour estimer une concentration inconnue, comparer la couleur à des standards de concentration connue, ou lire la solution dans un colorimètre.

Exemple résolu. Des standards de 0, 0.5, 1, 2 et 4 % de glucose fournissent des absorbances 0.02, 0.09, 0.18, 0.35, 0.64. Une inconnue donne 0.58. Sur la section linéaire, chaque 1 % ajoute environ 0.16 d'absorbance, donc l'inconnue est proche de $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. Lire au-delà des standards (extrapoler après 4 %) est moins fiable que mesurer à l'intérieur — point que les examinateurs aiment que vous mentionniez. L'iode devient bleu-noir avec l'amidon ; l'intensité du bleu-noir donne une estimation similaire pour l'amidon.

Un triglycéride est composé d'un glycérol et de trois acides gras, liés par trois réactions de condensation formant des liaisons ester. Les acides gras saturés n'ont pas de doubles liaisons C=C : les chaînes droites s'empilent étroitement, donc les graisses animales sont solides à température ambiante. Les acides insaturés ont une ou plusieurs doubles liaisons qui tordent la chaîne, l'empilement est plus lâche, et les huiles sont liquides. Les lipides stockent plus d'énergie par gramme que les glucides car ils sont plus réduits.

La diffusion ne fournit aux cellules qu'à quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur. Un grand organisme a besoin de transport massique : une pompe et des tuyaux transportant l'approvisionnement et les déchets de chaque cellule. Les trois types de vaisseaux correspondent à trois fonctions :

Le cœur mammifère est deux pompes en un organe. Le côté droit envoie le sang aux poumons ; le côté gauche, avec la paroi ventriculaire plus épaisse, envoie le sang au corps. Les oreillettes reçoivent ; les ventricules distribuent. Les artères coronaires alimentent le muscle cardiaque lui-même — son obstruction provoque une infarctus.

Le cycle cardiaque

Une battement comprend trois phases. Systolie auriculaire comprime le dernier sang dans les ventricules. Systolie ventriculaire élève la pression ventriculaire au-dessus de la pression artérielle, les valves semi-lunaires s'ouvrent, et le sang est expulsé. Diastole relâche le muscle, la pression baisse, les valves semi-lunaires se referment violemment (deuxième bruit cardiaque), et les cavités se remplissent depuis les veines.

Lisez la figure comme le ferait un examinateur : l'état des valves est déterminé par la différence de pression, jamais par une consigne. Les valves atrio-ventriculaires s'ouvrent lorsque la pression auriculaire dépasse la pression ventriculaire ; les valves semi-lunaires s'ouvrent lorsque la pression ventriculaire dépasse la pression aortique.

L'hémoglobine est une protéine composée de quatre chaînes polypeptidiques, chacune repliée autour d'un groupe hème portant un ion Fe²⁺ qui lie une molécule O₂ — soit quatre au total. La liaison du premier oxygène modifie la forme de toute la molécule et facilite les liaisons suivantes : la liaison coopérative donne à la courbe de dissociation de l'oxygène sa forme en S peu profonde puis raide.

Dans les poumons (pO₂ élevée), la courbe s'aplatit près de 100 % de saturation. Dans les tissus au repos, vers 1–2 kPa, la courbe est raide, donc une faible chute de pO₂ libère une grande quantité d'oxygène — exactement là où il est nécessaire. Lorsque les tissus respirent intensément, ils dégagent plus de dioxyde de carbone ; les ions hydrogène se lient à l'hémoglobine et déplacent toute la courbe vers la droite (effet Bohr), forçant encore plus d'oxygène à être libéré dans les tissus les plus actifs.

Vérification corrigée. À pO₂ 2 kPa, la courbe normale indique environ 30 % de saturation et la courbe déplacée environ 15 % — l'hémoglobine retient seulement environ un tiers de l'oxygène à cette pression partielle, de sorte que la plupart de ses quatre sites sont libérés vers les tissus plus tôt.

L'athérosclérose débute par une lésion de l'endothélium tapissant une artère. La réponse inflammatoire s'intensifie, les lipoprotéines de basse densité envahissent, les muscles lisses et le tissu conjonctif forment une plaque, l'artère se rétrécit et se durcit, et un caillot peut finalement la bloquer ou se détacher.

La coagulation elle-même est une cascade. Les dommages libèrent la thromboplastine, qui (avec les ions calcium) convertit la protéine plasmatique soluble prothrombine en enzyme thrombine ; la thrombine convertit le fibrinogène soluble en réseau insoluble de fibrine qui piège les plaquettes et les cellules.

La pression artérielle est rapportée sous la forme systolique sur diastolique. L'hypertension, le tabagisme, le taux élevé de cholestérol LDL sanguin, l'alimentation, la sédentarité, l'âge, le genre et la génétique sont des facteurs de risque — et ils se multiplient, pas s'additionnent : deux risques modérés peuvent avoir plus d'impact qu'un seul risque sévère.

Lire les données sur les risques sanitaires

Les questions 8 et 9 de chaque épreuve se trouvent ici. Quatre habitudes couvrent presque tous les points :

• La corrélation n'est pas la causalité. Deux variables évoluant ensemble peuvent partager une cause cachée, ou le lien peut être dû au hasard.
• Évaluez l'étude : quelle était la taille de l'échantillon ? Comment a-t-il été sélectionné ? Qu'a-t-on contrôlé ? Était-ce en aveugle ? Y a-t-il des facteurs de confusion tels que l'âge ou le tabagisme ?
• Faites les calculs soigneusement : pourcentage de variation, rapports en notation standardisée, taux par habitant.
• Demandez qui ou quoi manque : non-répondeurs, études non publiées, lignes extrapolées.

Vérification corrigée. Une étude trouve que la maladie parodontale corrèle avec les lésions endothéliales. Avant de prétendre que l'une cause l'autre, vous souhaiteriez un mécanisme, un motif dose-réponse, et des facteurs de confusion (alimentation, tabagisme, âge) exclus — et la question « les groupes ont-ils été appariés pour la tension artérielle ? » est précisément une question sur les facteurs de confusion.

L'équilibre énergétique détermine la masse corporelle. Le surpoids et l'obésité sont dépistés par l'IMC (masse en kg divisée par la taille en mètres au carré ; 18.5–24.9 est la fourchette saine) et le rapport tour de taille/tour de hanches (WHR). Les graisses saturées alimentaires augmentent le cholestérol LDL sanguin ; les graisses insaturées et les fibres solubles le diminuent.

Vérification corrigée. Une femme de masse 74 kg et de taille 1.66 m : IMC $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — juste dans la catégorie surpoids. Tour de taille 84 cm et tour de hanches 98 cm donnent un ratio taille/hanches (WHR) $= 84/98 = 0.86$.

Tous les traitements comportent des risques en plus des bienfaits :

• Antihypertenseurs (bêta-bloquants, inhibiteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine, diurétiques) abaissent la tension artérielle.
• Statines (par exemple simvastatine) bloquent une enzyme hépatique dans la synthèse du cholestérol, afin que les cellules prélevent le LDL sanguin.
• Anticoagulants (warfarine) et médicaments antiplaquettaires (aspirine) réduisent la coagulation, augmentant ainsi le risque de saignement.

Une question vous demandant de « discuter » exige les deux points de vue ainsi qu'un jugement ancré dans les données fournies.

Toute surface d'échange est une membrane effectuant des échanges contrôlés. Le modèle fluide en mosaïque est l'image acceptée : une bicouche phospholipidique (fluide car les queues peuvent glisser), parsemée de protéines intrinsèques qui traversent la bicouche (canaux, transporteurs), de protéines extrinsèques, de cholestérol régulant la fluidité, et de glycoprotéines et glycolipides pour la reconnaissance.

Quatre voies de transport :

• Diffusion — mouvement net le long d'un gradient de concentration, sans ATP.
• Diffusion facilitée — le long du gradient à travers une protéine canal ou transporteur.
• Transport actif — contre le gradient, alimenté par l'ATP, via des transporteurs changeant de forme.
• Osmose — eau se déplaçant de potentiel hydrique élevé vers faible à travers une membrane semi-perméable. L'endocytose et l'exocytose déplacent du matériel volumineux dans des vésicules.

Pour la diffusion, loi de Fick : le taux est proportionnel à (surface × différence de concentration) ÷ distance de diffusion. Les surfaces d'échange gazeux répondent aux trois critères : grande surface, gradient maintenu, et paroi d'une ou deux cellules d'épaisseur. C'est pourquoi alvéoles, capillaires et branchies de poisson ont cette apparence.

Un acide aminé porte un groupe amine, un groupe carboxyle, un hydrogène et un groupe R sur un carbone central ; deux s'unissent par une liaison peptidique lors d'une réaction de condensation. La structure primaire est la séquence ; des liaisons hydrogène la torsadent en structure secondaire ; davantage de liaisons hydrogène, ioniques et disulfure replient la tertiaire ; des chaînes séparées s'assemblent en quaternaire — l'hémoglobine en est l'exemple classique.

Une enzyme est une protéine dont le site actif correspond à la forme d'un substrat spécifique. La liaison n'est pas rigide : le modèle d'ajustement induit fait fléchir tant la molécule que le site jusqu'à complémentarité. C'est pourquoi température et pH modifient le taux — ils agissent sur la structure tertiaire — et pourquoi le site actif est spécifique.

Les inhibiteurs compétitifs se lient au site actif et sont surpassés lorsque la concentration en substrat augmente ; les inhibiteurs non compétitifs se lient ailleurs et déforment le site, donc le taux diminue quelle que soit la concentration.

Vérification corrigée. Q10 est citée à 2.4 : entre 10 °C et 20 °C, le taux est 2.4 fois plus rapide ; entre 45 °C et 55 °C, ce même facteur signifie que l'enzyme dénaturée s'effondre à un rythme croissant. Q10 décrit uniquement ; elle n'explique pas.

Un mononucléotide est composé d'un pentose (désoxyribose ou ribose), d'un groupe phosphate et d'une base azotée. La condensation entre le phosphate et le sucre de nucléotides voisins forme un brin maintenu par des liaisons phosphodiester. L'ADN est constitué de deux brins antiparallèles : A s'apparie avec T (deux liaisons hydrogène), G avec C (trois), formant une double hélice torsadée.

La réplication est semi-conservative : l'hélicase déroule les deux brins, chacun servant de matrice, et la DNA polymérase assemble les nucléotides libres dans la direction 5' vers 3'. Meselson et Stahl ont cultivé des bactéries d'abord sur de l'azote lourd ¹⁵N puis léger ¹⁴N ; après un cycle de réplication, tout l'ADN avait une densité intermédiaire, et après deux cycles, la moitié était légère — exactement ce que prédit la réplication semi-conservative, excluant les autres modèles.

Un gène est une séquence de bases codant pour une séquence d'acides aminés. Le code est triplet : trois bases par acide aminé. Il est non chevauchant (lu en groupes successifs), déterminé (la plupart des acides aminés possèdent plusieurs codons, rendant certaines mutations silencieuses), et contient des codons de départ et d'arrêt.

Vérification worked. Un gène de 300 paires de bases codant une protéine de 99 acides aminés plus un codon d'arrêt : $99 \times 3 + 3 = 300$. ✓

Transcription : l'ARN polymérase se lie au gène, utilise un brin comme matrice et synthétise l'ARNm. Traduction : dans le cytoplasme, un ribosome lit les codons de l'ARNm, et les molécules d'ARNt dont les anticodons s'apparent aux codons apportent les acides aminés dans l'ordre ; des liaisons peptidiques les unissent.

Mutations issues d'erreurs de réplication. Une substitution échange une base : un seul acide aminé change, ou rien ne change (dû à la détermination). Une insertion ou délétion ajoute ou retire une base et décale tous les cadres de lecture suivants — un cadre de lecture décalé — détruisant généralement la protéine.

La mucoviscidose est le modèle du cours : la délétion de trois bases supprime une phénylalanine de la protéine CFTR, empêchant le transport du chlorure, épaississant le mucus et obstruant les voies respiratoires. L'allèle est récessif : les porteurs sont sains. Le dépistage génétique permet d'identifier les porteurs, de tester les embryons (diagnostic génétique préimplantatoire) ou les fœtus (amniocentèse, prélèvement des villosités choriales). Les questions de dépistage soulèvent toujours des enjeux éthiques : qui est testé, qui est informé, et le sort d'un résultat positif.

1. Expliquez pourquoi l'amylopectine libère du glucose plus rapidement que l'amylose, en vous référant aux liaisons et aux extrémités des chaînes.
2. Calculez l'IMC d'un homme de 91 kg mesurant 1.83 m et classez-le.
3. Pendant la systole ventriculaire, quels valves sont ouvertes et quelles valves sont fermées, et pourquoi ?
4. La saturation en oxygène à 4 kPa passe d'environ 60 % à environ 34 % lorsque CO₂ augmente. Expliquer la cause moléculaire.
5. Décrivez la cascade de coagulation dans l'ordre, depuis les dommages endothéliaux jusqu'à la formation de fibrine.
6. Une étude rapporte que les personnes mangeant plus de yaourt ont moins d'infarctus. Énumérez trois vérifications à effectuer avant d'accepter une affirmation causale.
7. Expliquez pourquoi un inhibiteur compétitif réduit la vitesse de réaction à faible concentration de substrat mais pas à très haute concentration.
8. Meselson et Stahl ont écarté la réplication conservatrice. Quelle observation, après un seul cycle, a suffi à le prouver ?
9. Une mutation décalant le cadre de lecture est généralement plus grave qu'une substitution. Expliquez pourquoi, en utilisant les mots triplet et déterminé.
10. Citez deux avantages et deux risques du dépistage génétique chez les porteurs de mucoviscidose.

Réponses : 1 beaucoup de points de ramification 1,6 offrent de nombreuses extrémités de chaîne pour que les enzymes attaquent simultanément ; 2 $91/1.83^2 = 27.2$, surpoids ; 3 valves atrio-ventriculaires fermées, valves sémi-lunaires ouvertes, car la pression ventriculaire dépasse celle de l'aorte mais pas celle provenant des oreillettes ; 4 ions hydrogène issus de CO₂ se lient à l'hémoglobine, changeant sa forme et réduisant son affinité pour l'oxygène (effet Bohr) ; 5 les dommages exposent le collagène, les plaquettes et les cellules endommagées relâchent la thromboplastine, la thromboplastine + Ca²⁺ convertissent la prothrombine en thrombine, la thrombine convertit le fibrinogène en fibrine, le réseau de fibrine piège les cellules ; 6 taille d'échantillon et sélection, facteurs confondants comme l'âge/l'exercice/alimentation, comparaison aveugle, mécanisme ou relation dose-réponse ; 7 l'inhibiteur entre en compétition pour le site actif, donc à très haute concentration de substrat, presque chaque collision avec le site implique un substrat ; 8 après un cycle, tout l'ADN formait une seule bande intermédiaire — le modèle conservatif prévoit une bande lourde et une bande légère ; 9 un décalage de cadre modifie tous les triplets après la mutation, donc toute la protéine à partir de ce point a une séquence d'acides aminés différente, tandis que la dégénérescence permet à de nombreuses substitutions de ne rien changer ; 10 avantages — planification familiale éclairée, traitement précoce ou changement de mode de vie ; risques — anxiété, discrimination par les assureurs ou employeurs, faux positifs ou négatifs.