1L : Alimentation et environnement Chapitre.3 : Les oligoéléments A – Qu’est-ce qu’un oligo-élément ? L’organisme humain a besoin d’une vingtaine de minéraux qui doivent être apportés régulièrement par l’alimentation pour compenser les pertes journalières (urines, selles, transpiration …) ou pour satisfaire des besoins augmentés dans certaines situations physiologiques (croissance osseuse, grossesse, allaitement, menstruation …). Les minéraux et oligo-éléments, sont indispensables au bon fonctionnement de l’organisme : ils interviennent dans de nombreux processus biologiques, soit comme constituants (exemple : calcium et os), soit comme cofacteurs dans divers métabolismes (ex : fer et hémoglobine pour le transport de l’oxygène). Certains de ces éléments sont nécessaires dans des quantités de l’ordre du gramme (exemple : calcium), ce sont des macroéléments, d’autres dans des quantités de l’ordre de quelques milligrammes (exemple : le fer) : ce sont les oligoéléments. Tous doivent être apportés par une alimentation équilibrée car l’organisme ne peut pas les synthétiser. En France, les situations de carence sont heureusement assez rarement observées et concernent toujours un élément particulier dans une région précise. Exemple : l’iode dans les Alpes. Le goitre y était endémique, il y a cent cinquante ans, et ce problème est résolu depuis que la nourriture de cette population ne provient plus uniquement de ce qui est cultivé sur place. Par contre, d’après plusieurs études, des déficiences d’apports sont rencontrées assez fréquemment. Celles-ci n’engendrent pas de maladies graves mais peuvent être à l’origine de fatigue, baisse d’appétit, d’une moindre résistance aux infections … Il est donc nécessaire d’avoir des apports quotidiens suffisants, les besoins étant variables suivant l’âge, le sexe …. Masse des éléments minéraux dans un corps humain de masse 70 kg MACROELEMENTS Masse > 5g Elément Calcium Phosphore Potassium Soufre Sodium Chlore Magnésium Iode Fluor 3% Masse (g) 1050 700 245 210 105 105 35 9.8 6.3 OLIGOELEMENTS Masse < 5 g Elément Fer Zinc Brome Cuivre Manganèse Cobalt Silicium Chrome Etain Arsenic Vanadium Molybdène Masse (g) 3 2 2 0.1 0.02 0.005 0.0001 0.0000… 0.0000… 0.0000… 0.0000… 0.0000… Remarque : Les oligoéléments se présentent dans le corps humain sous forme d’ions (Fe2+, Zn2+, Cu2+, Ca2+…) Questions : 1. Quelle différence y a-t-il entre macroéléments et oligoéléments ? Les oligoéléments sont des éléments minéraux présents dans l’organisme en quantité infinitésimale. Les macroéléments sont eux présents en quantité beaucoup plus importante. 2. Les macroéléments représentent 3% de la masse totale d’un corps humain de 70 kg, combien représentent les oligo-éléments ? D’après le tableau ci-dessus, on peut calculer le pourcentage en masse des oligoéléments présents dans un corps humain de 70 kg : Somme des masses des oligoéléments 7 g 7.10-3 Pourcentage en masse = x 100 = 0,01 70 On estime le pourcentage en masses oligoéléments présents dans un corps humain à environ 0,01%. 3. Notre organisme est-il capable de synthétiser les oligo-éléments? Que cela implique-t-il ? Comment appelle-t-on les maladies dues à un manque d’oligoéléments ? L’organisme humain est incapable de synthétiser les oligoéléments. Cela implique leur apport quotidien par une alimentation équilibrée. Le manque d’oligoéléments se traduit par des carences. Conclusion : Les oligo-éléments sont des éléments minéraux nécessaires, en très faible quantité, au fonctionnement des organismes vivants. Leur carence peut entraîner des maladies graves. B – Des oligo-éléments : Où ? Combien ? Pourquoi ? Elément Quelques fonctions Fer Composant essentiel de l'hémoglobine (transporteur d'O2), permet l'apport d'O2 aux cellules et l'évacuation du CO2 Fatigue profonde, baisse de l'immunité, conduit à l'anémie ferriprive. Zinc Participe à toutes les étapes métaboliques, cicatrisation, antioxydant, indispensable à la croissance à la reproduction et au système nerveux Cuivre Facilite l'absorption du fer des aliments. Concentré dans les tissus nerveux, le foie, le cœur, les reins, nécessaire au fonctionnement du système nerveux Baisse des performances physiques, fatigue, irruption cutanée, inflammation, allergie, toxique à hautes doses, renouvellement plus lent des cellules, cicatrisation ralentie, Chute de l'immunité et anémie, les carences sont rares! altération du goût Manganèse Essentiellement présent dans le foie, les reins, le pancréas et le cerveau. Participe à l'équilibre de nombreux enzymes, métabolisme des glucides. Présent dans le squelette Régulateur du taux de sucre dans le sang et contrôle le taux de cholestérol sanguin Retard de croissance cérébrale chez le fœtus, baisse de glycémie, troubles articulaire Cobalt Présent dans la molécule de vitamine B12 Pas de carence connue Sélénium Sert d’antioxydant Recrudescence possible de cas de cancers et d’insuffisance cardiaque. Chrome *DJA : dose journalière admissible Carence Sa carence intervient dans l’apparition de certains types de diabète. Quelques sources alimentaires, toxicologie Apport quotidien : 10 à 50 mg/jour Sources : Légumes secs (8 à 10 mg/100g) Epinards (4 à 30 mg/100g) Viande de bœuf (3 mg/100g) Foie (6 à 10 mg/100g) Vin (2 à 6 mg/100g) Apport quotidien recommandé : 15 mg/jour Sources : Les produits de la mer (huîtres, poissons) Le foie Les céréales (pain complet) Les œufs La toxicité du zinc est faible Apport quotidien recommandé :1 à 2 mg/jour Sources : coquillages cacao, légumes secs foie Toxicité modérée : DJA* fixé à 0,5 mg de Cu par kg. Attention, parfois présent dans le vin ou dans certaines eaux (canalisations en cuivre) Apport quotidien : 7 mg/jour Sources : céréales complètes graines oléagineuses Apport quotidien recommandé : 50 à 200 µg/jour. Sources : jaune d’œuf foie huîtres viande de bœuf Attention : le chrome(VI), présent dans certains rejets industriels accidentels est très toxique (cancers, modifications génétiques..) Apport quotidien : 0,1µg/jour Coquillages, champignons, lentilles, ris de veau Métal toxique Apport quotidien : 50 μg/jour Sources : produits de la mer noix champignons Toxique au delà de 500 μg/jour Questions: 1. Quels aliments peut-on conseiller à une personne souffrant de fatigue passagère ? Une fatigue passagère est souvent liée à un manque en oligoélément fer (Symbole chimique : Fe). ce manque peut être palier par une consommation d’aliments riches en fer : viandes rouges, légumes secs, épinards… 2. Sachant que 100 g de viande de bœuf apporte 3 mg de fer, quelle quantité de viande bœuf faudrait-il manger par jour pour absorber la dose recommandée de fer ? Quels sont les risques encourus par une personne suivant un régime végétarien ? L’apport quotidien en fer, d’après le tableau ci-dessus est de 10 à 50 mg. 10 50 La quantité de bœuf qu’il faut consommer par jour est d’environ entre x 100 = 330 g et x 100 = 1670 g 3 3 Une personne végétarienne risque une carence en fer. 3. A l’aide des questions précédentes, pourquoi faut-il varier son alimentation ? La variation de l’alimentation permet d’avoir un apport quotidien des différents oligoéléments. 4. Quels aliments peuvent être déconseillés aux personnes souffrant d’insuffisance cardiaque ? D’après le tableau, une personne souffrant d’insuffisance cardiaque doit éviter une grande consommation en aliment riche en oligoélément sélénium : produits de la mer, noix et champignons. C – Comment mettre en évidence les oligo-éléments ? Les aliments contiennent des oligo-éléments en très faible quantité, ce qui suffit à satisfaire nos besoins. Pour notre santé, il faut équilibrer notre alimentation, il est donc nécessaire de mettre en évidence les oligo-éléments présents dans les aliments: Effectuer chaque test, en introduisant dans un tube à essai environ 1 cm3 de solution contenant l’ion à caractériser puis environ 1 cm3 de réactif. Compléter le tableau ci-dessous : Ion à caractériser cuivre Cu Solution Sulfate de cuivre à 10-2 mol/L 2+ fer (III) Fe Sulfate de cuivre à 10-4 mol/L 3+ Chlorure de fer à 10-2 mol/L Chlorure de fer à 10 -4 mol/L Réactif Soude (hydroxyde de sodium) Solution de thiocyanate de potassium Résultat du test Positif Négatif Positif Négatif Questions : 1. Peut-on toujours détecter la présence d’oligo-éléments dans une solution ? … Si la concentration d’une solution est très faible en ion cuivre ou en ion fer (III), il est impossible de détecter leur présence. 2. Peut-on mettre en évidence les oligo-éléments contenus dans les aliments à l’aide de ces tests ? De simples tests ioniques ne permettent pas de détecter la présence d’oligoéléments dans les aliments, car leur quantité est extrêmement faible. Conclusion : Avec des solutions de faibles concentrations les tests ne sont pas positifs. On ne peut donc pas mettre en évidence, par l’intermédiaire de ces tests, la présence d’oligo-éléments dans les aliments, les quantités présentes étant extrêmement faibles. D’autres méthodes, plus précises doivent être utilisées. D – Dosage du fer dans le vin blanc L'élément fer est naturellement présent dans le raisin et donc dans le vin. On cherche à mettre en évidence et à doser l’élément fer, présent dans le vin en très faible quantité. Ce fer est sous différentes formes ioniques : à l’état Fe3+, mais aussi partiellement à l’état Fe2+. 1/ Préparation des solutions étalons A partir d’une solution mère contenant 100 mg d’ions fer III par litre, on prépare 50 mL de solutions à 2 ; 4 ; 6 ; 8 ; 10 ; 12 ; 14 et 16 mg/L. N° de la solution 1 2 3 4 5 6 7 8 Concentration (Fe3+) (en mg/L) 2 4 6 8 10 12 14 16 2/ Réalisation de l’échelle de teintes On utilise alors 8 tubes à essais, numérotés de 1 à 8, et on verse dans le tube n°k : 10mL de solution étalon préparée n°k (prélevés à la pipette jaugée) 1mL de solution d’acide chlorhydrique (prélevés à la seringue) 1mL de solution de thiocyanate de potassium (prélevés à la seringue) 1 mL gouttes d’eau oxygénée. Agiter. On obtient ainsi 8 solutions de même volume ayant une couleur rouge de plus en plus intense, contenant des quantités connues d’ions fer III. Principe de l’échelle de teinte : Plus la concentration en fer est faible, plus la couleur de la solution devient claire. 3/ Dosage des ions fer III dans le vin Pour doser le fer présent dans un vin blanc, puisqu’il est initialement légèrement coloré, on le décolore par filtration sur noir de carbone. On verse ensuite dans un 9ème tube à essais : 10mL de vin blanc décoloré (prélevés à la pipette jaugée) 1mL de solution d’acide chlorhydrique (prélevés à la seringue) 1mL de solution de thiocyanate de potassium (prélevés à la seringue) 1mL gouttes d’eau oxygénée. En comparant la couleur de la solution obtenue dans ce tube avec l’échelle de teinte, on constate que sa couleur est comprise entre celle du tube n° 6 et celle du tube n° 7. Conclusion : D’après la couleur obtenue pour le vin blanc, on en déduit que la concentration en Fe3+ dans le vin blanc est entre 12 et 14 mg.L-1 1L : Alimentation et environnement Les oligoéléments Exercices d’application CORRECTION Exercice.1 : Lutte contre les carences L’organisation mondiale de la santé (OMS) estime que 600 à 700 millions de personnes souffrent de carence en fer, les conséquences sont importantes, car le fer permet à l’hémoglobine (pigment rouge du sang) de transporter correctement l’oxygène à toutes les cellules du corps. Les individus végétariens peuvent présenter une carence en fer qui se traduit par une anémie, dont le principal symptôme est la fatigue. 1. Quel est l’oligoélément cité dans le texte ? Donner son symbole chimique. Il s’agit de l’oligoélément. Son symbole chimique est Fe. 2. Quel est son rôle dans l’organisme ? Le fer permet à l’hémoglobine du sang de transporter l’oxygène à toutes les cellules de l’organisme. 3. A votre avis, pourquoi les individus végétariens ont-ils un risque de présenter une carence en fer ? Les individus végétariens ne consomment pas de viande, aliment riche en élément fer, et perdent du sang lors de la période des règles (pour les femmes), elles présentent alors des risques de carence en fer. 4. Comment peuvent-ils y remédier ? Pour y remédier, elles peuvent consommer des légumes secs, des épinards ou des compléments alimentaires contenant du fer. Exercice.2 : Le zinc dans l’organisme Le corps d’un adulte contient environ 2 à 3 g de zinc. Le zinc est un élément très utile à l’organisme, il intervient dans le processus de multiplication cellulaire (croissance), il entre dans la composition de nombreuses enzymes aux actions diverses (synthèse des protéines), il permet l’action de nombreuses hormones (de croissance, du goût), et il joue aussi un rôle d’antioxydant puissant. On le trouve dans de nombreux aliments d’origine animale. Pour un homme adulte, les besoins journaliers en zinc sont de 15 mg. 1. Quelles sont les données du texte qui indiquent que le zinc est un oligoélément ? 2. Quels peuvent être les effets d’une carence en zinc ? 3. Donner deux exemples d’aliments à consommer en cas de carence en zinc. 1. Le corps d’un adulte contient 2 à 3 g de zinc, cette quantité est inférieure à 5 g. L’apport journalier en zinc est de 15 mg. Il s’agit bien d’un oligoélément. 2. Une carence en zinc peut provoquer des problèmes de croissance, et des disfonctionnements hormonaux. 3. La viande et le poisson contiennent du zinc. Exercice.3 : Dosage des ions fer dans un comprimé de médicament On fait réagir les ions fer Fe2+ contenu dans un comprimé, avec une solution violette de permanganate de potassium. On procède de la manière suivante : Voir schéma ci-dessous On écrase un comprimé que l’on dissout dans 50 mL d’eau distillée. On verse ces 50 mL dans un bécher. On remplit une burette graduée, en ajustant le zéro, de la solution de permanganate de potassium. On place le bécher précédent, muni d’un agitateur magnétique, sous la burette. On verse progressivement la solution violette de permanganate de potassium dans le bécher, on observe que la couleur violette disparaît. 1. Complète le schéma ci-dessous en l’annotant. Burette graduée Pince Solution de permanganate de potassium Support Robinet Bécher Solution contenant les ions fer Fe2+ Agitateur magnétique 2. On continue de verser la solution de permanganate de potassium jusqu’à ce que la coloration violette persiste. On note alors le volume de la solution de permanganate de potassium versé : V = 14 mL. Pour déduire la masse des ions fer Fe2+ contenus dans le comprimé, on utilise la courbe d’étalonnage ci-dessous, donnant la masse m des ions fer, en fonction du volume V de solution de permanganate de potassium versé. m (mg) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 V (mL) a) Que devient la solution violette de permanganate de potassium en présence des ions fer Fe2+ ? En présence des ions fer Fe2+ la solution violette de permanganate de potassium disparaît. b) A quoi correspond la persistance de la couleur violette ? Si la couleur violette de la solution versée persiste, cela indique qu’il n’y a plus d’ions fer Fe 2+ dans la solution : c’est l’équivalence c) Reporter, sur la courbe d’étalonnage, le volume qui correspond à ce dosage, et en déduire la masse d’ions fer Fe 2+ contenus dans le comprimé. Le volume versé à l’équivalence est V = 14 mL de solution de permanganate de potassium. A la lecture graphique ci-dessus ce volume correspond à une masse m d’environ 80 mg en ions fer Fe2+. d) Le fabriquant donne l’indication suivante : << Teneur en fer d’un comprimé : 80 mg >>. Comparer cette indication à la valeur trouvée par le dosage et conclure. La valeur indiquée correspond bien à la valeur trouvée par le dosage. 3. On réalise à nouveau ce dosage sur le contenu d’une ampoule contenant un complément alimentaire riche en fer. Le volume de la solution de permanganate de potassium versé est alors : V = 5 mL. a) En utilisant la courbe d’étalonnage, déterminer la masse m de fer contenue dans l’ampoule. Par lecture graphique ci-dessus, on trouve une masse d’environ 28 mg en ions fer Fe2+ dans l’ampoule. b) Sachant que l’apport journalier en fer recommandé pour une femme est de 50 mg, combien d’ampoules peut-elle consommée par jour ? L’apport journalier en fer étant de 50 mg pour une femme, elle peut consommer 2 ampoules par jours. Exercice.4 : Dans le commerce, il existe des compléments alimentaires liquides, sous formes d’ampoules, qui contiennent des <<cocktails>> d’oligoéléments. Le tableau suivant rappelle quelques uns des tests de mise en évidence de quelques ions : Ion Cuivre : Cu2+ Zinc : Zn2+ Fer : Fe2+ Réactif Solution d’ammoniac Solution de sulfure d’ammonium Solution de thiocyanate de sodium Observation Formation d’un complexe bleu marine Formation d’un précipité blanc Formation d’un complexe coloré On désire mettre en évidence les oligoéléments présents dans ces ampoules. Pour cela, on réalise les trois tests du tableau ci-dessous. On observe que : L’ajout de la solution de thiocyanate de sodium n’a aucun effet. L’ajout d’ammoniac donne un précipité bleu marine L’ajout de la solution de sulfure d’ammonium donne un précipité blanc. 1. Pourquoi le cuivre, le zinc et le fer sont-ils des oligoéléments ? Le cuivre, le zinc et le fer sont des oligoéléments car ils sont présents en très faible quantité dans le corps humain (moins de 5 g pour une personne adulte). 2. D’après les observations, déduire quels sont les oligoéléments présents dans l’ampoule. D’après les tests réalisés, on peut déduire que le cuivre et le zinc sont présents (tests positifs) dans cette ampoule, par contre l’élément fer est absent (test négatif) 3. Peut-on conseiller ce complément alimentaire en cas d’anémie (fatigue) ? L’anémie est le symptôme d’une carence en élément fer, ce complément alimentaire ne peut pas convenir car il ne contient pas cet oligoélément.