Collège · 3ᵉ · Chimie
Les molécules du vivant
Glucides, lipides, protéines : structures carbonées essentielles
À propos de cette page
Ce cours de chimie en troisième sur « Les molécules du vivant » suit le programme officiel de chimie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Le vivant, une chimie du carbone, Les glucides : du glucose à l'amidon, Les lipides : acides gras et triglycérides, Les protéines : des chaînes d'acides aminés. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en chimie.
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Le vivant, une chimie du carbone
Un être humain, c'est environ 60 % d'eau et 40 % de molécules organiques, bâties sur des chaînes de carbone avec de l'hydrogène, de l'oxygène et de l'azote. Ces molécules se rangent en trois grandes familles, plus quelques molécules-clés.
| Famille | Atomes | Exemples | Rôles | % de la masse du corps |
|---|---|---|---|---|
| glucides (sucres) | C, H, O | glucose, saccharose, amidon, cellulose | énergie rapide, réserve (glycogène), structure des végétaux | ≈ 1 % |
| lipides (graisses) | C, H, O | huiles, beurre, cholestérol | réserve d'énergie, membranes, isolation | ≈ 15 à 20 % |
| protéines | C, H, O, N (et S) | hémoglobine, collagène, enzymes, anticorps | construction, transport, catalyse, défense | ≈ 17 % |
Ce qui les distingue. Les glucides et les lipides ne contiennent que C, H et O ; les protéines contiennent en plus de l'azote. Les lipides ont peu d'oxygène pour beaucoup de carbone et d'hydrogène (d'où leur richesse énergétique) ; les glucides ont autant d'oxygène que de carbone.
Le carbone, toujours. Quatre liaisons, des chaînes, des cycles, des ramifications : les règles de la chimie organique s'appliquent (C 4, N 3, O 2, H 1). Les groupes –OH (alcool), –COOH (acide) et –NH2 (amine) se retrouvent partout dans le vivant.
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Les glucides : du glucose à l'amidon
Le glucose C6H12O6. Sucre simple de 24 atomes, cinq groupes –OH, soluble dans l'eau, présent dans le sang (glycémie ≈ 1 g/L) et les fruits. C'est le carburant des cellules. Le fructose des fruits a la même formule brute : c'est un isomère.
| Glucide | Formule | Structure | Où ? |
|---|---|---|---|
| glucose, fructose | C6H12O6 | une seule unité (sucre simple) | fruits, miel, sang |
| saccharose | C12H22O11 | glucose + fructose liés (une molécule d'eau éliminée) | sucre de table, betterave, canne |
| amidon | (C6H10O5)n | chaîne de milliers de glucoses (polymère) | pain, pâtes, riz, pommes de terre |
| cellulose | (C6H10O5)n | chaîne de glucoses liés autrement : non digestible par l'homme | bois, coton, fibres des légumes |
| glycogène | (C6H10O5)n | chaîne ramifiée de glucoses | réserve du foie et des muscles |
Construire du saccharose. C6H12O6 + C6H12O6 → C12H22O11 + H2O : deux sucres simples s'accrochent en perdant une molécule d'eau. La digestion fait l'inverse (hydrolyse) : saccharose + eau → glucose + fructose.
Même formule, propriétés différentes. Amidon et cellulose sont tous deux des chaînes de glucose : l'un se digère (le pain), l'autre pas (le bois, la salade), car les liaisons entre glucoses ne sont pas orientées de la même façon. Seuls les ruminants, grâce à leurs bactéries, digèrent la cellulose.
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Les lipides : acides gras et triglycérides
Acide gras. Longue chaîne carbonée (12 à 22 carbones) terminée par un groupe –COOH. Saturé : que des liaisons simples (acide palmitique C16H32O2, dans le beurre) ; insaturé : au moins une double liaison C=C (acide oléique C18H34O2, dans l'huile d'olive).
Triglycéride. Molécule de glycérol C3H8O3 (trois –OH) accrochée à trois acides gras, avec élimination de trois molécules d'eau. Les huiles et les graisses en sont presque entièrement constituées.
| Huiles | Graisses | |
|---|---|---|
| état à 20 °C | liquides | solides |
| acides gras | surtout insaturés (C=C) | surtout saturés |
| origine | végétale (olive, colza, tournesol), poissons | animale (beurre, saindoux), coco, palme |
Hydrophobes. Presque pas de groupes –OH, de longues chaînes carbonées : les lipides ne se mélangent pas à l'eau. Une goutte d'huile flotte (masse volumique 0,92 kg/L) ; sur le papier, elle laisse une tache translucide qui ne sèche pas.
Rôles. Réserve d'énergie la plus dense (38 kJ par gramme), isolant thermique, constituant des membranes de toutes les cellules (phospholipides), transport de vitamines (A, D, E, K). Le cholestérol est aussi un lipide, indispensable en quantité modérée.
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Les protéines : des chaînes d'acides aminés
Acide aminé. Petite molécule portant sur le même carbone un groupe amine –NH2 et un groupe acide –COOH. Le plus simple : la glycine, NH2–CH2–COOH, formule brute C2H5NO2. Il en existe 20 sortes dans le vivant ; 9 sont essentiels (le corps ne sait pas les fabriquer, ils viennent de l'alimentation).
Protéine. Chaîne de dizaines à milliers d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques : le –COOH de l'un s'accroche au –NH2 du suivant en libérant une molécule d'eau. L'ordre des acides aminés est fixé par les gènes et donne à chaque protéine sa forme, donc sa fonction.
| Protéine | Rôle |
|---|---|
| hémoglobine | transporte le dioxygène dans le sang (contient du fer) |
| collagène, kératine | structure : peau, tendons, cheveux, ongles |
| enzymes (amylase, lipase…) | accélèrent les réactions chimiques : digestion, respiration |
| anticorps | défense contre les microbes |
| insuline | hormone qui règle la glycémie |
La cuisson dénature. Chauffé, le blanc d'œuf devient opaque et solide : les chaînes de protéines se déplient et s'emmêlent (dénaturation), sans que les liaisons peptidiques soient rompues. La digestion, elle, coupe ces liaisons et libère les acides aminés, réutilisés pour fabriquer nos propres protéines.
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Reconnaître les nutriments au laboratoire
| Nutriment | Réactif | Résultat positif | Remarque |
|---|---|---|---|
| amidon | eau iodée (jaune-orangé) | coloration bleu-noir | ne détecte pas le glucose ni le saccharose |
| glucose | liqueur de Fehling (bleue), à chaud | précipité rouge brique | le saccharose ne réagit pas ; il faut d'abord l'hydrolyser |
| lipides | papier | tache translucide persistante | l'eau fait une tache qui disparaît en séchant |
| protéines | réactif du biuret (bleu) | coloration violette | détecte les liaisons peptidiques |
| eau | sulfate de cuivre anhydre (blanc) | bleuit | présente dans presque tous les aliments |
Analyser un aliment. Une tranche de pain : eau iodée → bleu-noir (amidon) ; biuret → léger violet (gluten, une protéine) ; Fehling → négatif avant mastication, positif après (la salive a transformé l'amidon en glucose). Une cacahuète : tache translucide (lipides) et biuret violet (protéines).
Sécurité. La liqueur de Fehling et le réactif du biuret contiennent de la soude et du sulfate de cuivre : lunettes, pas de contact avec la peau, chauffage au bain-marie et jamais tube bouché.
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Digestion, respiration : de l'aliment à l'énergie
Digestion = hydrolyse. Les grosses molécules sont découpées par l'eau, avec l'aide des enzymes, en petites molécules absorbables : amidon → glucose (amylase de la salive), triglycérides → glycérol + acides gras (lipase), protéines → acides aminés (protéases de l'estomac et de l'intestin). Bilan simplifié pour l'amidon : (C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6.
Respiration cellulaire. Dans chaque cellule, le glucose est oxydé par le dioxygène : $$\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \rightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$$ C'est une combustion lente qui libère environ 16 kJ par gramme de glucose. 180 g de glucose consomment 192 g de dioxygène et produisent 264 g de CO2 et 108 g d'eau. La photosynthèse des plantes fait exactement l'inverse, avec l'énergie du Soleil.
Calculer l'énergie d'un aliment. Énergie = 17 × masse de glucides + 38 × masse de lipides + 17 × masse de protéines (en kJ, masses en g). Une portion de 30 g de fromage (25 % de lipides, 25 % de protéines) : $38 \times 7{,}5 + 17 \times 7{,}5 \approx 410$ kJ. Conversion : 1 kcal = 4,18 kJ, donc ≈ 98 kcal.
Ordre de grandeur. Un adolescent dépense 9 000 à 12 000 kJ par jour (2 200 à 2 900 kcal) ; la valeur de référence des étiquettes est 8 400 kJ, soit 2 000 kcal.
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Lire une étiquette, manger équilibré
| Repère | Recommandation | Pourquoi |
|---|---|---|
| sucres ajoutés | moins de 25 g par jour (OMS), soit 5 morceaux | caries, surpoids, diabète ; une canette de 33 cL en contient 35 g |
| lipides | privilégier les insaturés (huiles végétales, poissons) | excès de saturés : maladies cardiovasculaires |
| protéines | ≈ 0,8 g par kg de masse corporelle et par jour | construction des muscles, croissance |
| sel | moins de 5 g par jour | tension artérielle |
| fibres (cellulose) | fruits, légumes, céréales complètes | non digérées, elles régulent le transit |
Sur l'étiquette. « Glucides 62 g dont sucres 28 g » : les 62 g comprennent l'amidon (sucre lent) et les 28 g de sucres simples (rapides). « Matières grasses 20 g dont acides gras saturés 12 g » : plus de la moitié de saturés, à limiter. L'énergie indiquée (kJ et kcal) se retrouve par le calcul 17/38/17.
Vitamines et minéraux. Indispensables en très petites quantités : vitamine C (agrumes, antioxydant, contre le scorbut), vitamine D (soleil, poissons gras, fixation du calcium), fer (viande, lentilles : hémoglobine), calcium (produits laitiers : os), iode (sel iodé : thyroïde). Un régime « sans » quelque chose doit être suivi pour éviter les carences.
En bref
- Trois familles : glucides (C, H, O : glucose C6H12O6, saccharose C12H22O11, amidon et cellulose polymères de glucose), lipides (glycérol + 3 acides gras, hydrophobes, huiles insaturées / graisses saturées), protéines (chaînes d'acides aminés –NH2 et –COOH, liaisons peptidiques, contiennent de l'azote).
- Tests : eau iodée → amidon bleu-noir ; Fehling à chaud → glucose rouge brique ; tache translucide → lipides ; biuret → protéines violet.
- Digestion = hydrolyse par les enzymes (amidon → glucose). Respiration : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O.
- Énergie : 17 kJ/g pour glucides et protéines, 38 kJ/g pour les lipides ; 1 kcal = 4,18 kJ ; repère 8 400 kJ/jour.
- Repères : 50 % glucides, 35 % lipides, 15 % protéines de l'énergie ; sucres ajoutés < 25 g/j ; sel < 5 g/j.
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