Masse des éléments minéraux dans un corps humain de masse 70

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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.
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