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Chapitre 3 : Bases de la chimie biologique - Biologie


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Figure 1. Les atomes sont les éléments constitutifs des molécules présentes dans l'univers - air, sol, eau, roches - et aussi les cellules de tous les organismes vivants. Dans ce modèle de molécule organique, les atomes de carbone (noir), d'hydrogène (blanc), d'azote (bleu), d'oxygène (rouge) et de soufre (jaune) sont représentés en taille atomique proportionnelle. Les tiges d'argent représentent des liaisons chimiques. (crédit : modification d'œuvre par Christian Guthier)

La structure d'un atome

Un atome est la plus petite unité de matière qui conserve toutes les propriétés chimiques d'un élément. Éléments sont des formes de matière avec des propriétés chimiques et physiques spécifiques qui ne peuvent pas être décomposées en substances plus petites par des réactions chimiques ordinaires.

La chimie discutée dans BIS2A nous oblige à utiliser un modèle pour un atome. Bien qu'il existe des modèles plus sophistiqués, le modèle atomique utilisé dans ce cours fait l'hypothèse simplificatrice que l'atome standard est composé de trois particules subatomiques, les proton, les neutron, et le électron. Les protons et les neutrons ont une masse d'environ une unité de masse atomique (a.m.u.). Une unité de masse atomique correspond à environ 1.660538921 x 10-27kg - environ 1/12 de la masse d'un atome de carbone (voir le tableau ci-dessous pour une valeur plus précise). La masse d'un électron est de 0,000548597 a.m.u. ou 9,1 x 10-31kg. Les neutrons et les protons résident au centre de l'atome dans une région appelée la noyau tandis que les électrons gravitent autour du noyau dans des zones appelées orbitales, comme illustré ci-dessous. La seule exception à cette description est l'atome d'hydrogène (H), qui est composé d'un proton et d'un électron sans neutrons. Un atome se voit attribuer un numéro atomique en fonction du nombre de protons dans le noyau. Le carbone neutre (C), par exemple, a six neutrons, six protons et six électrons. Il a un numéro atomique de six et une masse d'un peu plus de 12 heures du matin.

Tableau 1. Charge, masse et emplacement des particules subatomiques

Protons, neutrons et électrons
ChargerMesse (a.m.u.)Masse (kg)Emplacement
Proton+1~11.6726 x 10-27noyau
Neutron0~11,6749 x 10-27noyau
Électron–1~09.1094 x 10-31orbitales

Le tableau 1 indique la charge et l'emplacement de trois particules subatomiques : le neutron, le proton et l'électron. Unité de masse atomique = a.m.u. (alias Dalton [Da]) - cela est défini comme environ un douzième de la masse d'un atome de carbone neutre ou 1.660538921 x 10−27 kg. C'est à peu près la masse d'un proton ou d'un neutron.

Figure 2. Les éléments, tels que l'hélium représenté ici, sont constitués d'atomes. Les atomes sont constitués de protons et de neutrons situés dans le noyau et d'électrons entourant le noyau dans des régions appelées orbitales. (Note: Ce chiffre représente un modèle Bohr pour un atome-nous pourrions utiliser une nouvelle figure open source qui représente un modèle plus moderne pour Si quelqu'un trouve orbitals un veuillez le faire parvenir..)
Source :(https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Par utilisateur : Yzmo (Travail personnel) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0/)], via Wikimedia Commons

Tailles relatives et distribution des éléments

L'atome typique a un rayon d'un à deux angströms (Å). 1Å = 1 x 10-10m. Le noyau typique a un rayon de 1 x 10-5Å ou 10 000 plus petit que le rayon de l'atome entier. Par analogie, un grand ballon d'exercice typique a un rayon de 0,85 m. S'il s'agissait d'un atome, le noyau aurait un rayon d'environ 1/2 à 1/10 de vos cheveux les plus fins. Tout ce volume supplémentaire est occupé par les électrons dans des régions appelées orbitales. Pour un atome idéal, les orbitales sont des régions définies de manière probabiliste dans l'espace autour du noyau dans lesquelles on peut s'attendre à trouver un électron.

Pour des informations de base supplémentaires sur la structure atomique, cliquez ici.
Pour plus d'informations de base sur les orbitales, cliquez ici.

Clips vidéos

Pour un examen de la structure atomique, regardez cette vidéo Youtube : structure atomique.

Les propriétés des matériaux vivants et non vivants sont déterminées dans une large mesure par la composition et l'organisation de leurs éléments constitutifs. Cinq éléments sont communs à tous les organismes vivants : l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H), le phosphore (P) et l'azote (N). D'autres éléments comme le soufre (S), le calcium (Ca), le chlorure (Cl), le sodium (Na), le fer (Fe), le cobalt (Co), le magnésium, le potassium (K) et plusieurs autres oligo-éléments sont également nécessaires à la vie , mais se trouvent généralement en beaucoup moins d'abondance que les "cinq premiers" mentionnés ci-dessus. En conséquence, la chimie de la vie - et par extension la chimie pertinente dans BIS2A - se concentre en grande partie sur les arrangements communs et les réactions entre les "cinq premiers" atomes de base de la biologie.

figure 3. Un tableau illustrant l'abondance des éléments dans le corps humain. Un camembert illustrant les relations d'abondance entre les quatre éléments les plus courants.
Crédit : Données de Wikipédia (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements) ; tableau créé par Marc T. Facciotti

Le tableau périodique

Les différents éléments sont organisés et affichés dans le tableau périodique. Par le chimiste russe conçu Dmitri Mendeleïev (1834-1907) en 1869, les groupes de table des éléments qui, en raison de certains traits communs de leur structure atomique, partagent certaines propriétés chimiques. La structure atomique des éléments est responsable de leurs propriétés physiques, y compris s'ils existent sous forme de gaz, de solides ou de liquides dans des conditions spécifiques et et leur réactivité chimique, un terme qui fait référence à leur capacité à se combiner et à se lier chimiquement entre eux et avec d'autres éléments.

Dans le tableau périodique ci-dessous, les éléments sont organisés et affichés en fonction de leur numéro atomique et sont disposés en une série de lignes et de colonnes en fonction de propriétés chimiques et physiques partagées. En plus de fournir le numéro atomique de chaque élément, le tableau périodique affiche également la masse atomique de l'élément. En regardant le carbone, par exemple, le symbole (C) et le nom apparaissent, ainsi que son numéro atomique de six (dans le coin supérieur droit indiquant le nombre de protons dans le noyau neutre) et sa masse atomique de 12,11 (somme de la masse des électrons, des protons et des neutrons).

Chiffre: Le tableau périodique indique la masse atomique et le numéro atomique de chaque élément. Le numéro atomique apparaît au-dessus du symbole de l'élément et la masse atomique approximative apparaît à gauche.
Source : Par 2012rc (self-made using inkscape) [Domaine public], via Wikimedia Commons Modifié par Marc T. Facciotti - 2016

Électronégativité

Les molécules sont des ensembles d'atomes qui sont associés les uns aux autres par des liaisons. Il est raisonnable de s'attendre - et c'est le cas empiriquement - à ce que différents atomes présentent des propriétés physiques différentes, y compris des capacités à interagir avec d'autres atomes. L'une de ces propriétés, la tendance d'un atome à attirer des électrons, est décrite par le concept et le terme chimique d'électronégativité. Alors que plusieurs méthodes de mesure de l'électronégativité ont été développées, la plus couramment enseignée aux biologistes est celle créée par Linus Pauling.

Une description de la façon dont l'électronégativité de Pauling peut être calculée dépasse le cadre de BIS2A. Ce qu'il est important de savoir, cependant, c'est que les valeurs d'électronégativité ont été déterminées expérimentalement et/ou théoriquement pour presque tous les éléments du tableau périodique. Les valeurs sont sans unité et sont rapportées par rapport à la référence standard, l'hydrogène, dont l'électronégativité est de 2,20. Plus la valeur d'électronégativité est élevée, plus un atome a tendance à attirer des électrons. En utilisant cette échelle, l'électronégativité de différents atomes peut être comparée quantitativement. Par exemple, en utilisant le tableau 1 ci-dessous, vous pourriez signaler que les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que les atomes de phosphore.

Tableau 1. Valeurs d'électronégativité de Pauling pour certains éléments pertinents pour BIS2A ainsi que des éléments aux deux extrêmes (le plus élevé et le plus bas) de l'échelle d'électronégativité.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

L'utilité de l'échelle électronégativité Pauling BIS2A est de fournir une base chimique pour expliquer les types de liens qui se forment entre les éléments fréquemment rencontrés dans les systèmes biologiques et d'expliquer quelques-unes des interactions clés que nous observons régulièrement. Nous développons notre compréhension des arguments basés sur l'électronégativité sur les liaisons et les interactions moléculaires en comparant les électronégativités de deux atomes. Rappelez-vous, plus l'électronégativité est grande, plus la "traction" qu'un atome exerce sur les électrons proches est forte.

On peut considérer, par exemple, l'interaction commune entre l'oxygène (O) et l'hydrogène (H). Supposons que O et H interagissent (formant une liaison) et écrivons cette interaction comme O-H, où le tiret entre les lettres représente l'interaction entre les deux atomes. Pour mieux comprendre cette interaction, nous pouvons comparer l'électronégativité relative de chaque atome. En examinant le tableau ci-dessus, nous voyons que O a une électronégativité de 3,44 et H a une électronégativité de 2,20.

Sur la base du concept d'électronégativité tel que nous le comprenons maintenant, nous pouvons supposer que l'atome d'oxygène (O) aura tendance à « tirer » les électrons loin de l'hydrogène (H) lorsqu'ils interagissent. Cela donnera lieu à une charge négative légère mais significative autour de l'atome O (en raison de la tendance plus élevée des électrons à s'associer à l'atome O). Cela se traduit également par une légère charge positive autour de l'atome H (en raison de la diminution de la probabilité de trouver un électron à proximité). Étant donné que les électrons ne sont pas répartis uniformément entre les deux atomes ET, par conséquent, la charge électrique n'est pas non plus répartie uniformément, nous décrivons cette interaction ou liaison comme polaire. Il y a en effet deux pôles : le pôle négatif près de l'oxygène et le pôle positif près de l'hydrogène.

Pour étendre l'utilité de ce concept, on peut maintenant se demander en quoi une interaction entre l'oxygène (O) et l'hydrogène (H) diffère d'une interaction entre le soufre (S) et l'hydrogène (H). C'est-à-dire, en quoi O-H diffère-t-il de S-H ? Si nous examinons le tableau ci-dessus, nous voyons que la différence d'électronégativité entre O et H est de 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24) et que la différence d'électronégativité entre S et H est de 0,38 (2,58 - 2,20 = 0,38). On peut donc conclure qu'une liaison O-H est plus polaire qu'une liaison S-H. Nous discuterons des conséquences de ces différences dans les chapitres suivants.

Figure 2. Le tableau périodique avec les électronégativités de chaque atome répertorié.

Attribution: Par DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Un examen du tableau périodique des éléments (figure 2) montre que l'électronégativité est liée à certaines des propriétés physiques utilisées pour organiser les éléments dans le tableau. Certaines tendances se dessinent. Par exemple, les atomes ayant le plus grand électronégativité ont tendance à résider dans le coin supérieur droit du tableau périodique, tel que le fluor (F), d'oxygène (O) et de chlore (Cl), tandis que les éléments ayant la plus petite électronégativité ont tendance à être trouvé à l'autre bout du tableau, en bas à gauche, comme le Francium (Fr), le Césium (Cs) et le Radium (Ra).

L'utilisation principale du concept d'électronégativité dans BIS2A sera donc de fournir une base conceptuelle pour discuter des différents types de liaisons chimiques qui se produisent entre les atomes dans la nature. Nous nous concentrerons principalement sur trois types d'obligations : Des liaisons ioniques, Des liaisons covalentes et Liaisons hydrogène.

Types d'obligations

Dans BIS2A, nous nous concentrons principalement sur trois types d'obligations différents : liaisons ioniques, liaisons covalentes, et liaisons hydrogène. Nous attendons des étudiants qu'ils soient capables de reconnaître chaque type de liaison différent dans les modèles moléculaires. De plus, pour les liaisons couramment observées en biologie, nous attendons des étudiants qu'ils fournissent une explication chimique, enracinée dans des idées telles que l'électronégativité, de la manière dont ces liaisons contribuent à la chimie des molécules biologiques.

Des liaisons ioniques

Des liaisons ioniques sont des interactions électrostatiques formées entre des ions de charges opposées. Par exemple, la plupart d'entre nous savons que dans du chlorure de sodium (NaCl) des ions sodium chargés positivement et des ions chlorure chargés négativement associer via électrostatique (+ attire -) interactions pour faire des cristaux de chlorure de sodium, ou sel de table, la création d'une molécule cristalline avec zéro net charger. Les origines de ces interactions peuvent provenir de l'association d'atomes neutres dont la différence d'électronégativités est suffisamment élevée. Prenons l'exemple ci-dessus. Si l'on imagine qu'un atome de sodium neutre et un atome de chlore neutre se rapprochent, il est possible qu'à des distances rapprochées, en raison de la différence d'électronégativité relativement importante entre les deux atomes, qu'un électron de l'atome de sodium neutre soit transféré au atome de chlore neutre, résultant en un ion chlorure chargé négativement et un ion sodium chargé positivement. Ces ions peuvent désormais interagir via une liaison ionique.

Figure 1. La formation d'une liaison ionique entre le sodium et le chlore est représentée. Dans le panneau A, une différence suffisante d'électronégativité entre le sodium et le chlore provoque le transfert d'un électron du sodium au chlore, formant deux ions, comme cela est illustré dans la partie B. Dans le panneau C, les deux ions associent via une interaction électrostatique. Attribution : par BruceBlaus (propre travail) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Ce mouvement d'électrons d'un atome à un autre est appelé transfert d'électrons. Dans l'exemple ci-dessus, lorsque le sodium perd un électron, il a maintenant 11 protons, 11 neutrons et 10 électrons, ce qui lui laisse une charge globale de +1 (charges sommatives : 11 protons à +1 charge chacun et 10 électrons à -1 charger chacun = +1). Une fois chargé, l'atome de sodium est appelé ion sodium. De même, sur la base de son électronégativité, un atome de chlore neutre (Cl) a tendance à gagner un électron pour créer un ion avec 17 protons, 17 neutrons et 18 électrons, ce qui lui donne une charge nette négative (–1). Il est maintenant appelé ion chlorure.

Nous pouvons interpréter le transfert d'électrons ci-dessus en utilisant le concept d'électronégativité. Commencez par comparer les électronégativités du sodium et du chlore en examinant le tableau périodique des éléments ci-dessous. Nous voyons que le chlore est situé dans le coin supérieur droit du tableau, tandis que le sodium est dans le coin supérieur gauche. En comparant directement les valeurs d'électronégativité du chlore et du sodium, nous voyons que l'atome de chlore est plus électronégatif que le sodium. La différence d'électronégativité du chlore (3,16) et du sodium (0,93) est de 2,23 (selon l'échelle du tableau ci-dessous). Étant donné que nous savons qu'un transfert d'électrons aura lieu entre ces deux éléments, nous pouvons conclure que des différences d'électronégativité de ~ 2,2 sont suffisamment importantes pour provoquer le transfert d'un électron entre deux atomes et que les interactions entre ces éléments se font probablement par des liaisons ioniques.

Figure 2. Le tableau périodique des éléments répertoriant les valeurs d'électronégativité pour chaque élément. Les éléments sodium et chlore sont encadrés avec une limite sarcelle. Attribution : par DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia CommonsModifié par Marc T. Facciotti

Remarque : discussion possible

Les atomes d'une brique de sel de table (NaCl) de 5 po x 5 po posée sur le comptoir de votre cuisine sont maintenus ensemble presque entièrement par des liaisons ioniques. Sur la base de cette observation, comment caractériseriez-vous la force des liaisons ioniques ?

Considérez maintenant cette même brique de sel de table après avoir été jetée dans une piscine d'arrière-cour moyenne. Après quelques heures, la brique serait complètement dissoute et les ions sodium et chlorure seraient uniformément répartis dans toute la piscine. Que pourriez-vous conclure sur la force des liaisons ioniques à partir de cette observation ?

Proposer une raison pour laquelle les liaisons ioniques du NaCl dans l'air pourraient se comporter différemment de celles dans l'eau ? Quelle est l'importance de cela pour la biologie?

Pour plus d'informations :

Consultez le lien de la Khan Academy sur les liaisons ioniques.

Des liaisons covalentes

Nous pouvons également invoquer le concept d'électronégativité pour aider à décrire les interactions entre les atomes qui ont des différences d'électronégativité trop petites pour que les atomes forment une liaison ionique. Ces types d'interactions aboutissent souvent à une liaison appelée liaison covalente. Dans ces liaisons, les électrons sont partagés entre deux atomes, contrairement à une interaction ionique dans laquelle les électrons restent sur chaque atome d'un ion ou sont transférés entre des espèces qui ont des électronégativités très différentes.

Nous commençons à explorer la liaison covalente en examinant un exemple où la différence d'électronégativité est nulle. Considérons une interaction très courante en biologie, l'interaction entre deux atomes de carbone. Dans ce cas, chaque atome a la même électronégativité, 2,55 ; la différence d'électronégativité est donc nulle. Si nous construisons notre modèle mental de cette interaction en utilisant le concept d'électronégativité, nous nous rendons compte que chaque atome de carbone de la paire carbone-carbone a la même tendance à « attirer » des électrons vers lui. Dans ce cas, lorsqu'une liaison se forme, aucun des deux atomes de carbone n'aura tendance à "tirer" (un bon anthropomorphisme) des électrons de l'autre. Au lieu de cela, ils « partageront » (un autre anthropomorphisme) les électrons de manière égale.

A part : exemple de délimitation

Les deux exemples ci-dessus - (1) l'interaction du sodium et du chlore, et (2) l'interaction entre deux atomes de carbone - encadrent une discussion par « limitation » ou analyse asymptotique (voir lecture précédente). Nous avons examiné ce qui arrive à un système physique en considérant deux extrêmes. Dans ce cas, les extrêmes étaient dans les différences d'électronégativité entre les atomes en interaction. L'interaction du sodium et du chlore a illustré ce qui se passe lorsque deux atomes ont une grande différence d'électronégativité, et l'exemple carbone-carbone a illustré ce qui se passe lorsque cette différence est nulle. Une fois que nous avons créé ces poteaux d'objectif mentaux décrivant ce qui se passe aux extrêmes, il est alors plus facile d'imaginer ce qui pourrait se passer entre les deux - dans ce cas, ce qui se passe lorsque la différence d'électronégativité est comprise entre 0 et 2,2. Nous le faisons ensuite.

Lorsque le partage des électrons entre deux atomes liés de manière covalente est presque égal, nous appelons ces liaisons des liaisons covalentes non polaires. Si au contraire, le partage des électrons n'est pas égal entre les deux atomes (probablement en raison d'une différence d'électronégativités entre les atomes), on appelle ces liaisons Covalent polaire obligations.

Dans un Covalent polaire liaison, les électrons sont inégalement partagés par les atomes et sont attirés par un noyau plus que par l'autre.En raison de la distribution inégale des électrons entre les atomes dans une liaison covalente polaire, une charge légèrement positive (indiquée par δ+) ou légèrement négative (indiquée par δ–) se développe à chaque pôle de la liaison. La charge légèrement positive (δ+) se développera sur l'atome le moins électronégatif, à mesure que les électrons seront attirés davantage vers l'atome légèrement plus électronégatif. Une charge légèrement négative (δ–) se développera sur l'atome le plus électronégatif. Puisqu'il y a deux pôles (les pôles positif et négatif), on dit que la liaison possède un dipôle.

Exemples de liaisons covalentes non polaires et polaires dans des molécules biologiquement pertinentes

Liaisons covalentes non polaires

Oxygène moléculaire

Oxygène moléculaire (O2) est fait d'une association entre deux atomes d'oxygène. Étant donné que les deux atomes partagent la même électronégativité, les liaisons dans l'oxygène moléculaire sont covalentes non polaires.

Méthane

Un autre exemple d'une liaison covalente non polaire est la liaison C-H trouvée dans le gaz méthane (CH4). Contrairement au cas de l'oxygène moléculaire où les deux atomes liés partagent la même électronégativité, le carbone et l'hydrogène n'ont pas la même électronégativité ; C = 2,55 et H = 2,20 - la différence d'électronégativité est de 0,35.

Figure 3. Dessins au trait moléculaire d'oxygène moléculaire, de méthane et de dioxyde de carbone. Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Certains d'entre vous peuvent maintenant être confus. S'il y a une différence d'électronégativité entre les deux atomes, la liaison n'est-elle pas par définition polaire ? La réponse est à la fois oui et non et dépend de la définition de polar que le locuteur/écrivain utilise. Puisqu'il s'agit d'un exemple de la façon dont prendre des raccourcis dans l'utilisation d'un vocabulaire spécifique peut parfois prêter à confusion, nous prenons un moment pour en discuter ici. Voir la simulation d'échange entre un étudiant et un instructeur ci-dessous pour des éclaircissements :

1. Instructeur : "En biologie, on dit souvent que la liaison C-H est non polaire."

2. Étudiant : « Mais il y a une différence d'électronégativité entre C et H, il semblerait donc que C devrait avoir une tendance légèrement plus forte à attirer les électrons. Cette différence d'électronégativité devrait créer une petite charge négative autour du carbone et une petite charge positive charge autour de l'hydrogène."

3. Étudiant : « Puisqu'il y a une distribution différentielle de charge à travers la liaison, il semblerait que, par définition, cela devrait être considéré comme une liaison polaire.

4. Instructeur : « En fait, le lien a un petit caractère polaire. »

5. Étudiant : « Alors c'est polaire ? Je suis confus. »

6. Instructeur : « Il a une petite quantité de caractère polaire, mais il s'avère que pour la plupart de la chimie commune que nous rencontrerons, cette petite quantité de caractère polaire est insuffisante pour conduire à une chimie « intéressante ». Ainsi, alors que le La liaison est, à proprement parler, légèrement polaire, d'un point de vue pratique, elle est effectivement non polaire. Nous l'appelons donc non polaire.

7. Étudiant : « C'est inutilement déroutant ; comment suis-je censé savoir quand vous voulez dire strictement 100 % non polaire, légèrement polaire ou fonctionnellement polaire lorsque vous utilisez le même mot pour décrire deux de ces trois choses ? »

8. Instructeur : « Ouais, ça craint. La solution est que je dois être aussi clair que possible lorsque je vous parle de la façon dont j'utilise le terme « polarité ». Je dois également vous informer que vous trouverez ceci raccourci (et autres) utilisé lorsque vous sortez sur le terrain, et je vous encourage à commencer à apprendre à reconnaître ce qui est visé par le contexte de la conversation.

Une analogie réelle de ce même problème pourrait être l'utilisation du mot "journal". Il peut être utilisé dans une phrase pour faire référence à l'entreprise qui publie des nouvelles, OU il peut faire référence à l'élément réel que l'entreprise produit. Dans ce cas, la désambiguïsation est facilement faite par des anglophones natifs, car ils peuvent déterminer le sens correct à partir du contexte ; les locuteurs non natifs peuvent être plus confus. Ne t'inquiète pas; au fur et à mesure que vous verrez plus d'exemples d'utilisation de mots techniques en science, vous apprendrez également à lire les significations correctes dans les contextes."

De côté:

Quelle doit être la différence d'électronégativité pour créer une liaison "suffisamment polaire" pour que nous décidions de l'appeler polaire en biologie ? Bien sûr, la valeur exacte dépend d'un certain nombre de facteurs, mais en règle générale, nous utilisons parfois une différence de 0,4 comme estimation.

Cette information supplémentaire est purement pour votre information. Il ne vous sera pas demandé d'attribuer une polarité en fonction de ce critère dans BIS2A. Vous devriez, cependant, apprécier le concept de la façon dont la polarité peut être déterminée en utilisant le concept d'électronégativité. Vous devriez également apprécier les conséquences fonctionnelles de la polarité (plus d'informations à ce sujet dans d'autres sections) et les nuances associées à ces termes (comme celles de la discussion ci-dessus).

Liaisons covalentes polaires

Les Covalent polaire liaison peut être illustrée en examinant l'association entre O et H dans l'eau (H2O). L'oxygène a une électronégativité de 3,44, tandis que l'hydrogène a une électronégativité de 2,20. La différence d'électronégativité est de 1,24. Il s'avère que cette taille de différence d'électronégativité est suffisamment grande pour que le dipôle à travers la molécule contribue au phénomène chimique d'intérêt.

C'est un bon point pour mentionner une autre source courante de confusion chez les étudiants concernant l'utilisation du terme polaire. L'eau a polaire obligations. Cette déclaration se réfère spécifiquement aux liaisons O-H individuelles. Chacune de ces liaisons possède un dipôle. Cependant, les élèves entendront également que l'eau est un pôle molécule. C'est également vrai. Cette dernière déclaration fait référence au fait que la somme des deux dipôles de liaison crée un dipôle à travers la molécule entière. UNE molécule peut être non polaire mais avoir encore des liaisons polaires.

Figure 4. Une molécule d'eau possède deux liaisons polaires O-H. Puisque la distribution de charge dans la molécule est asymétrique (en raison du nombre et des orientations relatives des dipôles de liaison), la molécule est également polaire. Le nom de l'élément et les électronégativités sont indiqués dans la sphère respective. Facciotti (propre travail)

Pour plus d'informations, visionnez cette courte vidéo pour voir une animation de la liaison ionique et covalente.

Le continuum de liaisons entre covalent et ionique

La discussion sur les types de liaisons ci-dessus met en évidence que dans la nature, vous verrez des liaisons sur un continuum allant de la covalente complètement non polaire à la pure ionique, en fonction des atomes qui interagissent. Au fur et à mesure que vous avancez dans vos études, vous découvrirez en outre que dans les molécules multi-atomes plus grandes, la localisation des électrons autour d'un atome est également influencée par de multiples facteurs. Par exemple, d'autres atomes qui sont également liés à proximité exerceront une influence sur la distribution des électrons autour d'un noyau d'une manière qui n'est pas facilement expliquée en invoquant des arguments simples de comparaisons par paires d'électronégativité. Les champs électrostatiques locaux produits par d'autres atomes non liés peuvent également avoir une influence. La réalité est toujours plus compliquée que nos modèles. Cependant, si les modèles nous permettent de raisonner et de prédire avec une « assez bonne » précision ou de comprendre certains concepts sous-jacents clés qui peuvent être étendus plus tard, ils sont tout à fait utiles.

Obligations clés dans BIS2A

Dans BIS2A, nous nous intéressons au comportement chimique et aux liaisons entre les atomes dans les biomolécules. Heureusement, les systèmes biologiques sont composés d'un nombre relativement restreint d'éléments communs (par exemple, C, H, N, O, P, S, etc.) et de certains ions clés (par exemple, Na+, Cl-, Ca2+, K+, etc.). Commencez à reconnaître les liaisons courantes et les propriétés chimiques que nous les voyons souvent montrer. Certaines liaisons courantes incluent C-C, C-O, C-H, N-H, C=O, C-N, P-O, O-H, S-H et certaines variantes. Ceux-ci seront discutés plus en détail dans le contexte des groupes fonctionnels. La tâche n'est pas aussi ardue qu'il y paraît.

Liaisons hydrogène

Lorsque l'hydrogène forme une liaison covalente polaire avec un atome d'électronégativité plus élevée, la région autour de l'hydrogène aura une charge positive fractionnée (appelée δ+). Lorsque cette charge positive fractionnaire rencontre une charge négative partielle (appelée δ-) d'un autre atome électronégatif auquel l'hydrogène n'est PAS lié, ET il est présenté à cette charge négative dans une orientation appropriée, un type spécial d'interaction appelé a liaison hydrogène peut se former. Alors que les chimistes débattent encore de la nature exacte de la liaison hydrogène, dans BIS2A, nous aimons la concevoir comme une faible interaction électrostatique entre le δ+ de l'hydrogène et du- charge sur un atome électronégatif. Nous appelons la molécule qui contribue à l'atome d'hydrogène partiellement chargé "la liaison hydrogène donneur" et l'atome avec la charge négative partielle la " liaison hydrogène accepteur." Il vous sera demandé de commencer à apprendre à reconnaître les donneurs et les accepteurs de liaisons hydrogène biologiques communs et à identifier les liaisons hydrogène putatives à partir de modèles de structures moléculaires.

Les liaisons hydrogène sont courantes en biologie à la fois au sein et entre tous les types de biomolécules. Les liaisons hydrogène sont également des interactions critiques entre les biomolécules et leur solvant, l'eau.

Figure 1: Deux molécules d'eau sont représentées formant une liaison hydrogène (dessinées par une ligne bleue en pointillés). La molécule d'eau en haut "donne" un hydrogène partiellement chargé tandis que la molécule d'eau en bas accepte cette charge partielle en présentant un atome d'oxygène complémentaire chargé négativement.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

L'eau

L'eau est une substance unique dont les propriétés particulières sont intimement liées aux processus de la vie. La vie a évolué à l'origine dans un environnement aqueux, et la plupart de la chimie et du métabolisme cellulaires d'un organisme se produisent à l'intérieur du contenu soluble dans l'eau de la cellule. L'eau solvate ou "mouille" la cellule et les molécules qu'elle contient, joue un rôle clé en tant que réactif ou produit dans un nombre incalculable de réactions biochimiques et médie les interactions entre les molécules à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. De nombreuses propriétés importantes de l'eau découlent de la nature polaire de la molécule, qui peut être retracée jusqu'aux molécules polaires dont le dipôle provient de ses liaisons covalentes polaires entre l'hydrogène et l'oxygène.

Dans BIS2A, le rôle omniprésent de l'eau dans presque tous les processus biologiques est facile à ignorer en se laissant entraîner dans les détails de processus spécifiques, les protéines, les rôles des acides nucléiques et dans votre enthousiasme pour les machines moléculaires (cela arrivera). Il s'avère, cependant, que l'eau joue un rôle clé dans tous ces processus et nous devrons continuellement rester conscients du rôle que joue l'eau si nous voulons développer une compréhension plus fonctionnelle. Soyez à l'affût et soyez également attentif lorsque votre instructeur vous le signale.

À l'état liquide, les molécules d'eau individuelles interagissent les unes avec les autres via un réseau de liaisons hydrogène dynamiques qui se forment et se brisent constamment. L'eau interagit également avec d'autres molécules qui ont des groupes fonctionnels chargés et/ou des groupes fonctionnels avec des donneurs ou des accepteurs de liaisons hydrogène. Une substance avec un caractère suffisamment polaire ou chargé peut se dissoudre ou être hautement miscible dans l'eau est considérée comme étant hydrophile (hydro- = « eau » ; -philique = « aimer »). En revanche, les molécules avec des caractères plus apolaires telles que les huiles et les graisses n'interagissent pas bien avec l'eau et s'en séparent plutôt que de s'y dissoudre, comme on le voit dans les vinaigrettes contenant de l'huile et du vinaigre (une solution d'eau acide). Ces composés non polaires sont appelés hydrophobe (hydro- = « eau » ; -phobe = « peur »). Nous examinerons certains des composants énergétiques de ces types de réactions dans un autre chapitre.

Figure 1. À l'état liquide, l'eau forme un réseau dynamique de liaisons hydrogène entre les molécules individuelles. Montré sont une paire donneur-accepteur.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Propriétés solvantes de l'eau

Puisque l'eau est une molécule polaire avec des charges légèrement positives et légèrement négatives, les ions et les molécules polaires peuvent s'y dissoudre facilement. Par conséquent, l'eau est considérée comme un solvant, une substance capable de dissoudre d'autres molécules polaires et composés ioniques. Les charges associées à ces molécules formeront des liaisons hydrogène avec l'eau, entourant la particule de molécules d'eau. C'est ce qu'on appelle un sphère d'hydratation, ou une coque d'hydratation et sert à maintenir les particules séparées ou dispersées dans l'eau.

Lorsque des composés ioniques sont ajoutés à l'eau, les ions individuels interagissent avec les régions polaires des molécules d'eau, et les liaisons ioniques sont probablement perturbées dans le processus appelé dissociation. La dissociation se produit lorsque des atomes ou des groupes d'atomes se détachent des molécules et forment des ions. Considérez le sel de table (NaCl ou chlorure de sodium). Un bloc sec de NaCl est maintenu par des liaisons ioniques et est difficile à dissocier. Cependant, lorsque des cristaux de NaCl sont ajoutés à l'eau, les molécules de NaCl se dissocient en Na+ et Clions, et des sphères d'hydratation se forment autour des ions. L'ion sodium chargé positivement est entouré par la charge partiellement négative de l'oxygène de la molécule d'eau. L'ion chlorure chargé négativement est entouré par la charge partiellement positive de l'hydrogène sur la molécule d'eau. On peut imaginer un modèle dans lequel les liaisons ioniques du cristal sont « échangées » contre de nombreuses liaisons ioniques à plus petite échelle avec les groupes polaires sur les molécules d'eau.

Figure 2. Lorsque le sel de table (NaCl) est mélangé à de l'eau, des sphères d'hydratation se forment autour des ions. Cette figure représente un ion sodium (sphère bleu foncé) et un ion chlorure (sphère bleu clair) solvatés dans une « mer » d'eau. Notez comment les dipôles des molécules d'eau entourant les ions sont alignés de telle sorte que les charges complémentaires/charges partielles s'associent les unes aux autres (c'est-à-dire que les charges positives partielles sur les molécules d'eau s'alignent avec l'ion chlorure négatif tandis que les charges négatives partielles sur l'oxygène d'eau s'alignent avec l'ion sodium chargé positivement).
Attribution : Ting Wang - UC Davis (œuvre originale modifiée par Marc T. Facciotti)

Remarque : discussion possible

Considérons le modèle de l'eau dissolvant un cristal de sel présenté ci-dessus. Décrivez dans vos propres mots comment ce modèle peut être utilisé pour expliquer ce qui se passe au niveau moléculaire lorsque suffisamment de sel est ajouté à un volume d'eau que le sel ne se dissout plus (la solution atteint la saturation). Travaillez ensemble pour créer une image commune.

Balises recommandées par le modèle : article:sujet

Quel est le rôle de la chimie acide/base dans Bis2A ?

Nous avons appris que le comportement des groupes fonctionnels chimiques dépend grandement de la composition, de l'ordre et des propriétés de leurs atomes constitutifs. Comme nous le verrons, certaines des propriétés des principaux groupes fonctionnels biologiques peuvent être modifiées en fonction du pH (concentration en ions hydrogène) de la solution dans laquelle ils baignent.

Par exemple, certains des groupes fonctionnels des molécules d'acides aminés qui composent les protéines peuvent exister dans différents états chimiques en fonction du pH. Nous apprendrons que l'état chimique de ces groupes fonctionnels dans le contexte d'une protéine peut avoir un effet profond sur la forme de la protéine ou sa capacité à effectuer des réactions chimiques. Au fur et à mesure que nous avancerons dans le cours, nous verrons de nombreux exemples de ce type de chimie dans différents contextes.

Le pH est formellement défini comme :

Dans l'équation ci-dessus, les crochets entourant 9ce{indiquent la concentration. Si nécessaire, essayez une révision mathématique sur wiki logarithm ou kahn logarithm. Voir aussi : dictionnaire concentration ou concentration wiki.

Les ions hydrogène sont générés spontanément dans l'eau pure par la dissociation (ionisation) d'un petit pourcentage de molécules d'eau en un nombre égal d'hydrogène (H+) ions et hydroxyde (OH-) ions. Alors que les ions hydroxyde sont maintenus en solution par leur liaison hydrogène avec d'autres molécules d'eau, les ions hydrogène, constitués de protons nus, sont immédiatement attirés par les molécules d'eau non ionisées, formant des ions hydronium (H30+).

Pourtant, par convention, les scientifiques se réfèrent aux ions hydrogène et à leur concentration comme s'ils étaient libres dans cet état dans l'eau liquide. Ceci est un autre exemple de raccourci que nous prenons souvent - il est plus facile d'écrire H+ plutôt que H3O+. Nous devons juste réaliser que ce raccourci est pris ; sinon, la confusion s'ensuivra.

Figure 1: L'eau se dissocie spontanément en un groupe proton et hydroxyle. Le proton se combinera avec une molécule d'eau pour former un ion hydronium.
Attribution : Marc T. Facciotti

Les pH d'une solution est une mesure de la concentration d'ions hydrogène dans une solution (ou le nombre d'ions hydronium). Le nombre d'ions hydrogène est une mesure directe de l'acidité ou de la base d'une solution.

Les échelle de pH est logarithmique et varie de 0 à 14 (Figure 2). Nous définissons pH=7,0 comme neutre. Tout ce qui a un pH inférieur à 7,0 est appelé acide et tout pH signalé supérieur à 7,0 est appelé alcalin ou de base. Les extrêmes de pH dans les deux sens à partir de 7,0 sont généralement considérés comme inhospitaliers à la vie, bien qu'il existe des exemples du contraire. Les niveaux de pH dans le corps humain se situent généralement entre 6,8 et 7,4, sauf dans l'estomac où le pH est plus acide, généralement entre 1 et 2.

Regardez cette vidéo pour une explication simple du pH et de son échelle logarithmique.

Figure 2: L'échelle de pH allant d'acide à basique avec divers composés biologiques ou substances qui existent à ce pH particulier. Facciotti

Pour plus d'informations :

Regardez cette vidéo pour une explication alternative du pH et de son échelle logarithmique.

La concentration des ions hydrogène se dissociant de l'eau pure est de 1 × 10-7 taupes H+ ions par litre d'eau.

1 mole (mol) d'une substance (qui peut être des atomes, des molécules, des ions, etc.), est définie comme étant égale à 6,02 x 1023 particules de la substance. Par conséquent, 1 mole d'eau est égale à 6,02 x 1023 molécules d'eau. Le pH est calculé comme le négatif du logarithme en base 10 de cette unité de concentration. Le journal10 de 1 × 10-7 est de -7,0, et le négatif de ce nombre donne un pH de 7,0, également appelé pH neutre.

Les lectures de pH non neutres résultent de la dissolution d'acides ou de bases dans l'eau. Des concentrations élevées d'ions hydrogène donnent un faible pH, tandis que de faibles niveaux d'ions hydrogène entraînent un pH élevé.

Cette relation inverse entre le pH et la concentration de protons confond de nombreux étudiants - prenez le temps de vous convaincre que vous « comprenez ».

Un acide est une substance qui augmente la concentration des ions hydrogène (H+) dans une solution, généralement en faisant dissocier l'un de ses atomes d'hydrogène. Par exemple, nous avons appris que le groupe fonctionnel carboxyle est un acide. L'atome d'hydrogène peut se dissocier de l'atome d'oxygène, ce qui donne un proton libre et un groupe fonctionnel chargé négativement. UNE base fournit soit des ions hydroxyde (OH) ou d'autres ions chargés négativement qui se combinent avec des ions hydrogène, réduisant efficacement le H+ concentration dans la solution et ainsi augmenter le pH.Dans les cas où la base libère des ions hydroxyde, ces ions se lient aux ions hydrogène libres, générant de nouvelles molécules d'eau. Par exemple, nous avons appris que la fonction amine est une base. L'atome d'azote acceptera les ions hydrogène en solution, réduisant ainsi le nombre d'ions hydrogène qui élève le pH de la solution.

Figure 3: Le groupe acide carboxylique agit comme un acide en libérant un proton en solution. Cela augmente le nombre de protons en solution et diminue ainsi le pH. Le groupe amino agit comme une base en acceptant les ions hydrogène de la solution, diminuant le nombre d'ions hydrogène dans les solutions, augmentant ainsi le pH.
Attribution : Erin Easlon

Ressources pH supplémentaires

Voici quelques liens supplémentaires sur le pH et le pKa pour vous aider à apprendre le matériel. Notez qu'il existe un module supplémentaire consacré au pKa.

PKa

paquetune est défini comme le log négatif10 de la constante de dissociation d'un acide, son Kune. Par conséquent, le pKune est une mesure quantitative de la facilité ou de la facilité avec laquelle l'acide abandonne son proton [H+] en solution et donc une mesure de la "force" de l'acide. Les acides forts ont un petit pKa, les acides faibles ont un plus grand pKa.

L'acide le plus courant dont nous parlerons dans BIS2A est le groupe fonctionnel acide carboxylique. Ces acides sont généralement faible acides, ce qui signifie qu'ils ne se dissocient que partiellement (en H+ cations et RCOO- anions) en solution neutre. Le HCL (chlorure d'hydrogène) est un fort acide, ce qui signifie qu'il se dissociera complètement en H+ et Cl-.

Notez que la principale différence dans la figure ci-dessous entre un acide ou une base forte et un acide ou une base faible est la flèche simple (forte) par rapport à une double flèche (faible). Dans le cas de la flèche simple, vous pouvez interpréter cela en imaginant que presque tous les réactifs ont été convertis en produits. De plus, il est difficile pour la réaction de revenir en arrière jusqu'à un état où les protons sont à nouveau associés à la molécule à laquelle ils étaient associés auparavant. Dans le cas d'un acide ou d'une base faible, la flèche à double face peut être interprétée en imaginant une réaction dans laquelle :

  1. les deux formes de acide ou base conjugué (c'est ce que nous appelons la molécule qui "contient" le proton - c'est-à-dire CH3OOH et CH3OO-, respectivement sur la figure) sont présents en même temps et
  2. le rapport de ces deux quantités peut changer facilement en déplaçant la réaction dans les deux sens.

Figure 1. Un exemple d'acides forts et de bases fortes dans leurs états de protonation et de déprotonation. La valeur de leur pKa est indiquée à gauche. Facciotti

L'électronégativité joue un rôle dans la force d'un acide. Si nous considérons le groupe hydroxyle comme exemple, la plus grande électronégativité de l'atome ou des atomes (indiqués R) attachés au groupe hydroxyle dans l'acide R-O-H entraîne une liaison H-O plus faible, qui est ainsi plus facilement ionisée. Cela signifie que l'attraction des électrons loin de l'atome d'hydrogène devient plus importante lorsque l'atome d'oxygène attaché à l'atome d'hydrogène est également attaché à un autre atome électronégatif. Un exemple de ceci est HOCL. Le Cl électronégatif polarise la liaison H-O, l'affaiblissant et facilitant l'ionisation de l'hydrogène. Si nous comparons cela à un acide faible où l'oxygène est lié à un atome de carbone (comme dans les acides carboxyliques), l'oxygène est lié à l'atome d'hydrogène et de carbone. Dans ce cas, l'oxygène n'est pas lié à un autre atome électronégatif. Ainsi, la liaison H-O n'est pas davantage déstabilisée et l'acide est considéré comme un acide faible (il n'abandonne pas le proton aussi facilement qu'un acide fort).

Figure 2. La force de l'acide peut être déterminée par l'électronégativité de l'atome auquel l'oxygène est lié. Par exemple, l'acide faible acide acétique, l'oxygène est lié au carbone, un atome à faible électronégativité. Dans l'acide fort, l'acide hypochloreux, l'atome d'oxygène est lié à un atome de chlorure encore plus électronégatif.
Attribution : Erin Easlon

Dans Bis2A, il vous sera demandé de relier le pH et le pKa l'un à l'autre lorsque vous discuterez de l'état de protonation d'un acide ou d'une base, par exemple dans les acides aminés. Comment pouvons-nous utiliser les informations données dans ce module pour répondre à la question : Les groupes fonctionnels sur l'acide aminé glutamate seront-ils protonés ou déprotonés à un pH de 2, à un pH de 8, à un pH de 11 ?

Afin de commencer à répondre à cette question, nous devons créer une relation entre le pH et le pKa. La relation entre le pKa et le pH est représentée mathématiquement par l'équation de Henderson-Hasselbach ci-dessous, où [A-] représente la forme déprotonée de l'acide et [HA] représente la forme protonée de l'acide.

Figure 3. L'équation d'Henderson-Hasselbach

Une solution à cette équation est obtenue en fixant pH = pKa. Dans ce cas, log([A-] / [HA]) = 0, et [A-] / [HA] = 1. Cela signifie que lorsque le pH est égal au pKa, il y a des quantités égales de formes protonées et déprotonées de l'acide. Par exemple, si le pKa de l'acide est de 4,75, à un pH de 4,75, cet acide existera à 50 % protoné et à 50 % déprotoné. Cela signifie également qu'à mesure que le pH augmente, une plus grande partie de l'acide sera convertie à l'état déprotoné et à un moment donné, le pH sera si élevé que la majorité de l'acide existera à l'état déprotoné.

Figure 4. Ce graphique illustre l'état de protonation de l'acide acétique lorsque le pH change. A un pH inférieur au pKa, l'acide est protoné. A un pH supérieur au pKa, l'acide est déprotoné. Si le pH est égal au pKa, l'acide est protoné à 50 % et déprotoné à 50 %. Attribution : Ivy José

Dans BIS2A, nous étudierons l'état de protonation et l'état de déprotonation des acides aminés. Les acides aminés contiennent plusieurs groupes fonctionnels qui peuvent être des acides ou des bases. Par conséquent, leur statut de protonation/déprotonation peut être plus compliqué. Vous trouverez ci-dessous la relation entre le pH et le pKa de l'acide aminé acide glutamique. Dans ce graphique, nous pouvons poser la question que nous avons posée précédemment : Les groupes fonctionnels sur l'acide aminé glutamate seront-ils protonés ou déprotonés à un pH de 2, à un pH de 8, à un pH de 11 ?

Figure 5. Ce graphique illustre l'état de protonation du glutamate lorsque le pH change. A un pH inférieur au pKa pour chaque groupe fonctionnel sur l'acide aminé, le groupe fonctionnel est protoné. A un pH supérieur au pKa du groupe fonctionnel, il est déprotoné. Si le pH est égal au pKa, le groupe fonctionnel est protoné à 50 % et déprotoné à 50 %.
Attribution : Ivy José

Remarque : discussion possible

  1. Quelle est la charge globale de glutamate libre à un pH de 5 ?
  2. Quelle est la charge globale de glutamate libre à un pH de 10 ?

Réactions chimiques

Réactions chimiques se produisent lorsque deux atomes ou plus se lient pour former des molécules ou lorsque des atomes liés sont séparés. Les substances qui « entrent » dans une réaction chimique sont appelées les réactifs (par convention, ceux-ci sont généralement répertoriés sur le côté gauche d'une équation chimique), et les substances qui se trouvent "sortir" de la réaction sont connues sous le nom de des produits (par convention, ceux-ci se trouvent généralement du côté droit d'une équation chimique). Une flèche reliant les réactifs et les produits est généralement dessinée entre eux pour indiquer la direction de la réaction chimique. Par convention, pour les réactions unidirectionnelles, les réactifs sont listés à gauche et les produits à droite de la flèche à une tête. Cependant, vous devriez être capable d'identifier les réactifs et les produits de réactions à sens unique qui sont écrits dans n'importe quelle orientation (par exemple, de droite à gauche, de haut en bas, en diagonale de droite à gauche, autour d'une flèche circulaire, etc. .)

[underbrace{2H_2O_2}_{ ext{peroxyde d'hydrogène}} → underbrace{2H_2O}_{ ext{water}} + underbrace{O_2}_{ ext{oxygène}}]

(1.2)2H2O2peroxyde d'hydrogène2H2Ol'eau+O2oxygène

" id="MathJax-Element-3-Frame" role="presentation" style="position:relative;" tabindex="0">

Remarque : pratiquez

Identifiez les réactifs et les produits de la réaction impliquant le peroxyde d'hydrogène ci-dessus.

Remarque : discussion possible

Quand on écrit H2O2" id="MathJax-Element-4-Frame" role="presentation" style="position:relative;" tabindex="0">

pour représenter la molécule de peroxyde d'hydrogène, il s'agit d'un modèle représentant une molécule réelle. Quelles informations sur la molécule sont immédiatement communiquées par cette formule moléculaire ? C'est-à-dire que savez-vous de la molécule simplement en regardant le terme H2O2" id="MathJax-Element-5-Frame" role="presentation" style="position:relative;" tabindex="0">

?

Quelles informations ne sont pas explicitement communiquées sur cette molécule en ne regardant que la formule ?

Certaines réactions chimiques, comme celle illustrée ci-dessus, se déroulent principalement dans une direction. Lorsque nous décrivons les réactions avec une flèche à une seule tête (unidirectionnelle), nous sous-entendons que la réaction est essentiellement irréversible. Cependant, toutes les réactions peuvent techniquement se dérouler dans les deux sens. Réactions réversibles sont ceux qui peuvent procéder dans les deux sens. Dans les réactions réversibles, les réactifs sont transformés en produits, mais lorsque la concentration de produit dépasse un certain seuil (une caractéristique particulière à une réaction spécifique), certains de ces produits seront reconvertis en réactifs. Ce va-et-vient se poursuit jusqu'à ce qu'un certain équilibre relatif entre les réactifs et les produits se produise - un état appelé équilibre. Ces situations de réactions réversibles sont souvent désignées par une équation chimique avec une flèche à double tête pointant à la fois vers les réactifs et les produits. Vous trouverez un continuum de réactions chimiques ; certains procèdent principalement dans une direction et ne s'inversent presque jamais, tandis que d'autres changent facilement de direction, en fonction de divers facteurs tels que les concentrations relatives de réactifs et de produits. C'est-à-dire que vous trouverez des réactions avec toutes sortes de points d'équilibre.

Remarque : utilisation du vocabulaire

Vous vous êtes peut-être rendu compte que les termes « réactifs » et « produits » sont relatifs à la direction de la réaction. Si vous avez une réaction réversible, cependant, les produits de la réaction dans un sens deviennent les réactifs de l'inverse. Vous pouvez étiqueter le même composé avec deux termes différents. Cela peut être un peu déroutant. Alors, que faire dans de tels cas ? La réponse est que si vous souhaitez utiliser les termes « réactifs » et « produits », vous devez être clair sur la direction de la réaction à laquelle vous faites référence.

Regardons un exemple de réaction réversible en biologie. Dans le sang humain, l'excès d'ions hydrogène (H+) se lient aux ions bicarbonate (HCO3-), formant un état d'équilibre avec l'acide carbonique (H2CO3). Cette réaction est facilement réversible. Si de l'acide carbonique était ajouté à ce système, une partie serait convertie en ions bicarbonate et hydrogène, car le système chimique recherche l'équilibre.

[HCO_3^−+ H^+ ightleftharpoons H_2CO_3 label{2}]

Les exemples ci-dessus examinent les systèmes chimiques "idéalisés" tels qu'ils pourraient se produire dans un tube à essai. Dans les systèmes biologiques, cependant, l'équilibre pour une réaction unique est rarement obtenu comme cela pourrait être le cas en laboratoire. Dans les systèmes biologiques, les réactions ne se produisent pas isolément. Les concentrations des réactifs et/ou des produits changent constamment, souvent un produit d'une réaction étant un réactif pour une autre réaction. Ces réactions liées forment ce qu'on appelle des voies biochimiques. L'exemple immédiat ci-dessus illustre ceci et une autre mise en garde. Alors que la réaction entre le bicarbonate/proton et l'acide carbonique est hautement réversible, il s'avère que physiologiquement cette réaction est généralement "tirée" vers la formation d'acide carbonique. Pourquoi? Comme indiqué ci-dessous, l'acide carbonique devient un réactif pour une autre réaction biochimique : sa conversion en CO2 et H2O. Cette conversion réduit la concentration de H2CO3, tirant ainsi la réaction entre le bicarbonate et H+ À droite. De plus, une troisième réaction, l'élimination du CO2 et H2 du système, tire également la réaction plus vers la droite. Ces types de réactions sont des contributeurs importants au maintien de la H+ l'homéostasie de notre sang.

Réactions chimiques caractéristiques

Toutes les réactions chimiques commencent par un réactif, terme général désignant une ou plusieurs substances qui entrent dans la réaction. Les ions sodium et chlorure, par exemple, sont les réactifs dans la production de sel de table. La ou les substances produites par une réaction chimique sont appelées le produit. **Notez qu'il y a une certaine excitation "cachée" dans l'histoire du sel de table impliquant de l'eau que nous verrons bientôt.**

Dans les réactions chimiques, les atomes et éléments présents dans le(s) réactif(s) doivent tous être également présents dans le(s) produit(s). De même, il ne peut y avoir rien de présent dans les produits qui n'était pas présent dans les réactifs. En effet, les réactions chimiques sont régies par la loi de conservation de la masse, qui stipule que la matière ne peut être créée ni détruite dans une réaction chimique. Cela signifie que lorsque vous examinez une réaction chimique, vous devez essayer de prendre en compte tout ce qui y entre ET vous assurer que vous pouvez tout trouver dans ce qui en sort !

Tout comme vous pouvez exprimer des calculs mathématiques dans des équations telles que 2 + 7 = 9, vous pouvez utiliser des équations chimiques pour montrer comment les réactifs deviennent des produits. Par convention, les équations chimiques sont généralement lues ou écrites de gauche à droite. Les réactifs de gauche sont séparés des produits de droite par une flèche à une ou deux pointes indiquant la direction dans laquelle se déroule la réaction chimique. Par exemple, la réaction chimique dans laquelle un atome d'azote et trois atomes d'hydrogène produisent de l'ammoniac s'écrirait :

[N + 3H→NH_3.]

En conséquence, la décomposition de l'ammoniac en ses composants s'écrirait :

[NH3→N + 3H.]

Notez que dans les deux sens, vous trouvez 1 N et 3 Hs des deux côtés de l'équation.

Réversibilité

En théorie, toute réaction chimique peut se dérouler dans les deux sens dans les bonnes conditions. Les réactifs peuvent se synthétiser en un produit qui redevient plus tard un réactif. La réversibilité est aussi une qualité des réactions d'échange. Par exemple, A+BC→AB+C pourrait alors s'inverser en AB+C→A+BC. Cette réversibilité d'une réaction chimique est indiquée par une double flèche : A+BC⇄AB+C.

Réactions de synthèse

De nombreuses macromolécules sont constituées de sous-unités plus petites, ou blocs de construction, appelés monomères. Les monomères se lient de manière covalente pour former des molécules plus grosses appelées polymères. Souvent, la synthèse de polymères à partir de monomères produira également des molécules d'eau en tant que produits de la réaction. Ce type de réaction est appelé synthèse de déshydratation ou condensation réaction.

Figure 1. Dans la réaction de synthèse par déshydratation décrite ci-dessus, deux molécules de glucose sont liées ensemble pour former le disaccharide maltose. Dans le processus, une molécule d'eau est formée.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Dans une réaction de synthèse par déshydratation (figure 1), l'hydrogène d'un monomère se combine avec le groupe hydroxyle d'un autre monomère, libérant une molécule d'eau. Dans le même temps, les monomères partagent des électrons et forment des liaisons covalentes. Au fur et à mesure que des monomères supplémentaires se joignent, cette chaîne de monomères répétés forme un polymère. Différents types de monomères peuvent se combiner dans de nombreuses configurations, donnant naissance à un groupe diversifié de macromolécules. Même un type de monomère peut se combiner de diverses manières pour former plusieurs polymères différents ; par exemple, les monomères de glucose sont les constituants de l'amidon, du glycogène et de la cellulose.

Dans l'exemple de monomère glucidique ci-dessus, le polymère est formé par une réaction de déshydratation ; ce type de réaction est également utilisé pour ajouter des acides aminés à une chaîne peptidique en croissance et des nucléotides au polymère d'ADN ou d'ARN en croissance. Visitez les modules sur les acides aminés, les lipides et les acides nucléiques pour voir si vous pouvez identifier les molécules d'eau qui sont éliminées lorsqu'un monomère est ajouté au polymère en croissance.

Figure 2. Cela décrit, à l'aide de mots, (décorés avec des groupes fonctionnels colorés en rouge) une réaction générique de synthèse/condensation de déshydratation.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Réactions d'hydrolyse

Les polymères sont décomposés en monomères dans une réaction connue sous le nom d'hydrolyse. Une réaction d'hydrolyse comprend une molécule d'eau comme réactif (Figure 3). Au cours de ces réactions, un polymère peut être divisé en deux composants : un produit transporte un ion hydrogène (H+) de l'eau, tandis que le second produit transporte l'hydroxyde restant (OH-) de l'eau.

Figure 3. Dans la réaction d'hydrolyse montrée ici, le disaccharide maltose est décomposé pour former deux monomères de glucose avec l'ajout d'une molécule d'eau. Notez que cette réaction est l'inverse de la réaction de synthèse illustrée à la figure 1 ci-dessus.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Figure 4. Cela décrit à l'aide de mots (décorés avec des groupes fonctionnels colorés en rouge) une réaction d'hydrolyse générique.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Les réactions de synthèse de déshydratation et d'hydrolyse sont catalysées, ou « accélérées », par des enzymes spécifiques. Notez que les réactions de synthèse de déshydratation et d'hydrolyse impliquent la création et la rupture de liaisons entre les réactifs - une réorganisation des liaisons entre les atomes dans les réactifs. Dans les systèmes biologiques (nos corps inclus), les aliments sous forme de polymères moléculaires sont hydrolysés en molécules plus petites par l'eau via des réactions catalysées par des enzymes dans le système digestif. Cela permet aux nutriments plus petits d'être absorbés et réutilisés à diverses fins. Dans la cellule, les monomères dérivés des aliments peuvent ensuite être réassemblés en polymères plus gros qui remplissent de nouvelles fonctions.

Liens utiles:

Visitez ce site pour voir des représentations visuelles de la synthèse de la déshydratation et de l'hydrolyse.
Un exemple d'hydrolyse avec action enzymatique est montré dans cette vidéo de 3 minutes intitulée : Hydrolyse du saccharose par le saccharase.

Réactions d'échange/de transfert

Nous rencontrerons également des réactions dites d'échange. Dans ces types de réactions, des « parties » de molécules sont transférées entre elles : des liaisons sont rompues pour libérer une partie d'une molécule et des liaisons se forment entre la partie libérée et une autre molécule. Ces réactions catalysées par des enzymes sont généralement des processus chimiques à plusieurs étapes raisonnablement complexes.

Figure 5. Une réaction d'échange dans laquelle la synthèse et l'hydrolyse peuvent se produire, des liaisons chimiques sont à la fois formées et rompues, est représentée à l'aide d'une analogie de mot.

Directionnalité des réactions chimiques

Réactions chimiques

Réactions chimiques se produisent lorsque deux atomes ou plus se lient pour former des molécules ou lorsque des atomes liés sont séparés. Les substances qui « entrent » dans une réaction chimique sont appelées les réactifs (par convention, ceux-ci sont généralement répertoriés sur le côté gauche d'une équation chimique), et les substances trouvées qui « sortent » de la réaction sont connues sous le nom de des produits (par convention, ceux-ci se trouvent généralement du côté droit d'une équation chimique). Cependant, vous devriez être capable d'identifier les réactifs et les produits de réactions à sens unique qui sont écrits dans n'importe quelle orientation (par exemple, de droite à gauche, de haut en bas, en diagonale de droite à gauche, autour d'une flèche circulaire, etc. )

2H2O2 (peroxyde d'hydrogène) → 2H2O (eau) + O2 (oxygène)

Remarque : discussion possible

S'entraîner: Identifiez les réactifs et les produits de la réaction impliquant le peroxyde d'hydrogène ci-dessus.

Remarque : discussion possible

Quand on écrit H2O2 pour représenter la molécule de peroxyde d'hydrogène, il s'agit d'un modèle représentant une molécule réelle. Quelles informations sur la molécule sont immédiatement communiquées par cette formule moléculaire ? C'est-à-dire que savez-vous de la molécule simplement en regardant le terme H2O2? Quelles informations ne sont pas explicitement communiquées sur cette molécule en ne regardant que la formule ?

Certaines réactions chimiques, comme celle illustrée ci-dessus, se déroulent principalement dans une direction. Ces situations de réactions réversibles sont souvent désignées par une équation chimique avec une flèche à double tête pointant à la fois vers les réactifs et les produits. Vous trouverez un continuum de réactions chimiques ; certains procèdent principalement dans une direction et ne s'inversent presque jamais, tandis que d'autres changent facilement de direction en fonction de divers facteurs tels que les concentrations relatives de réactifs et de produits. C'est-à-dire que vous trouverez des réactions avec toutes sortes de points d'équilibre.

Utilisation de vocabulaire

Vous vous êtes peut-être rendu compte que les termes « réactifs » et « produits » sont relatifs à la direction de la réaction. Alors, que faire dans de tels cas ? La réponse est que si vous souhaitez utiliser les termes « réactifs » et « produits », vous devez être clair sur la direction de la réaction à laquelle vous faites référence.

Regardons un exemple de réaction réversible en biologie. Si de l'acide carbonique était ajouté à ce système, une partie serait convertie en bicarbonate et en ions hydrogène alors que le système chimique recherchait l'équilibre.

[HCO_3^−+ H^+ ightleftharpons H_2CO_3]

Les exemples ci-dessus examinent les systèmes chimiques "idéalisés" tels qu'ils pourraient se produire dans un tube à essai. L'exemple immédiat ci-dessous illustre le point des voies biochimiques et une autre mise en garde. Alors que la réaction entre le bicarbonate/proton et l'acide carbonique est hautement réversible, il s'avère que, physiologiquement, cette réaction est généralement "tirée" vers la formation d'acide carbonique. Pourquoi? Comme indiqué ci-dessous, l'acide carbonique devient un réactif pour une autre réaction biochimique - sa conversion en CO2 et H2O. Cette conversion réduit la concentration de H2CO3, tirant ainsi la réaction entre le bicarbonate et H+ vers la droite. De plus, une troisième réaction unidirectionnelle, l'élimination du CO2 et H2O du système, tire également la réaction plus vers la droite. Ces types de réactions contribuent de manière importante au maintien de l'homéostasie H+ de notre sang.

[ HCO_3^- + H^+ ightleftharpoons H_2CO_3 ightleftharpoons CO_2 + H_20 ightarrow déchets]

Figure 1. La réaction de synthèse de l'acide carbonique est en effet liée à sa décomposition en (CO_2) et (H_2O). Ces produits sont ensuite retirés du système/corps lorsqu'ils sont expirés. Ensemble, la décomposition de l'acide carbonique et le fait d'exhaler les produits tirent la première réaction vers la droite.

Contributeurs

  • Marc T. Facciotti (Ingénierie biomédicale, UC Davis)

Équilibre chimique—Partie 1 : réactions directes et inverses

Comprendre le concept d'équilibre chimique est essentiel pour suivre plusieurs des discussions que nous avons dans BIS2A et en fait à travers la biologie et les sciences. Il est difficile de décrire complètement le concept d'équilibre chimique sans référence à l'énergie d'un système, mais par souci de simplicité, essayons quand même de réserver la discussion sur l'énergie pour un autre chapitre. Commençons plutôt à développer notre compréhension de l'équilibre en considérant la réaction réversible ci-dessous :

Réaction hypothétique #1 : Une réaction hypothétique impliquant les composés A, B et D. Si nous lisons ceci de gauche à droite, nous dirions que A et B se rejoignent pour former un composé plus grand : D. Lecture de la réaction de droite à gauche, nous dirions que le composé D se décompose en composés plus petits : A et B.

Il faut d'abord définir ce que l'on entend par « réaction réversible ». Le terme « réversible » signifie simplement qu'une réaction peut se dérouler dans les deux sens. C'est-à-dire que les éléments du côté gauche de l'équation de réaction peuvent réagir ensemble pour devenir les éléments du côté droit de l'équation, ET les éléments du côté droit de l'équation peuvent également réagir ensemble pour devenir les éléments du côté gauche de l'équation. équation. Les réactions qui ne se déroulent que dans un seul sens sont appelées réactions irréversibles.

Pour commencer notre discussion sur l'équilibre, nous commençons par considérer une réaction que nous postulons est facilement réversible. Dans ce cas, il s'agit de la réaction décrite ci-dessus : la formation imaginaire du composé D à partir des composés A et B. Puisqu'il s'agit d'une réaction réversible, on pourrait aussi l'appeler la décomposition de D en A et B. Imaginons cependant une expérience dans laquelle nous regardons la réaction se dérouler à partir d'un point de départ où seuls A et B sont présents.

Exemple 1 : réaction équilibrée à gauche

Réaction hypothétique #1 : cours du temps
Concentrationt=0t=1t=5t=10t=15t=20t=25t=30t=35t=40
[UNE]100908070656260606060
[B]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

Au temps t = 0 (avant le début de la réaction), la réaction a 100 unités de concentration des composés A et B et zéro unité de composé D. Nous laissons maintenant la réaction se dérouler et observons les concentrations individuelles des trois composés au fil du temps (t =1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 et 40 unités de temps). Lorsque A et B réagissent, D se forme. En fait, on peut voir D se former de t=0 jusqu'à t=25. Après ce temps, cependant, les concentrations de A, B et D cessent de changer. Une fois que la réaction atteint le point où les concentrations des composants cessent de changer, on dit que la réaction a atteint l'équilibre. Notez que les concentrations de A, B et D ne sont pas égales à l'équilibre. En fait, la réaction semble laissée équilibrée de sorte qu'il y a plus de A et B que de D.

Noter

****Avertissement courant sur les idées fausses des étudiants****

De nombreux étudiants sont victimes de l'idée fausse que les concentrations des réactifs et des produits d'une réaction doivent être égales à l'équilibre. Étant donné que le terme équilibre ressemble beaucoup au mot « égal », ce n'est pas surprenant. Mais comme l'expérience ci-dessus essaie de l'illustrer, ce n'est PAS correct !

Exemple 2 : réaction équilibrée à droite

Nous pouvons examiner une deuxième réaction hypothétique, la synthèse du composé J à partir des composés E et F.

Réaction hypothétique #2 : Une réaction hypothétique impliquant les composés E, F et J. Si nous lisons ceci de gauche à droite, nous dirions que E et F se rejoignent pour former un composé plus grand : J. En lisant la réaction de droite à gauche, nous dirions que composé J se décompose en composés plus petits : E et F.

La structure de la réaction hypothétique n°2 semble identique à celle de la réaction hypothétique n°1, que nous avons considérée ci-dessus : deux choses se rejoignent pour faire une chose plus grande. Nous devons simplement supposer, dans ce cas, que E, F et J ont des propriétés différentes de A, B et D. Imaginons une expérience similaire à celle décrite ci-dessus et examinons ces données :

Réaction hypothétique #2 : cours du temps


Dans ce cas, la réaction atteint également l'équilibre. Cette fois, cependant, l'équilibre se produit vers t=30. Après ce point, les concentrations de E, F et J ne changent pas. Notez à nouveau que les concentrations de E, F et J ne sont pas égales à l'équilibre. Contrairement à la réaction hypothétique #1 (la réaction ABD), cette fois la concentration de J, la chose sur le côté droit des flèches, est à une concentration plus élevée que E et F. Nous disons que, pour cette réaction, l'équilibre se situe À droite.

Quatre autres points doivent être soulignés à ce stade.

Point 1 : Que l'équilibre d'une réaction se situe à gauche ou à droite dépendra des propriétés des composants de la réaction et des conditions environnementales dans lesquelles la réaction se déroule (par exemple, température, pression, etc.).

Point 2 : On peut aussi parler d'équilibre en utilisant des concepts d'énergie, et on le fera bientôt, mais pas encore.

Point 3 : Alors que les réactions hypothétiques n°1 et n°2 semblent atteindre un point où la réaction s'est « arrêtée », vous devez imaginer que les réactions se produisent toujours même après que l'équilibre a été atteint. À l'équilibre, les réactions « directe » et « inverse » se produisent simplement au même rythme. C'est-à-dire, dans l'exemple #2, à l'équilibre J se forme à partir de E et F au même rythme qu'il se décompose en E et F. Cela explique comment les concentrations des composés ne changent pas malgré le fait que les réactions sont passe encore.

Point 4 : A partir de cette description de l'équilibre, nous pouvons définir ce que nous appelons la constante d'équilibre. Typiquement, la constante est représentée par un K majuscule et peut être écrite comme Kéq. En termes de concentrations, Kéq est écrit comme le produit mathématique des concentrations de produits de réaction (trucs à droite) divisé par le produit mathématique des concentrations de réactifs (trucs à gauche). Par exemple, Kéq,1 = [D]/[A][B], et Kéq,2 = [J]/[E][F]. Les crochets "[]" indiquent la "concentration de" tout ce qui se trouve à l'intérieur du crochet.

Équilibre chimique—Partie 2 : Énergie libre

Dans une section précédente, nous avons commencé une description de l'équilibre chimique dans le contexte des vitesses directes et inverses. Trois idées clés ont été présentées :

  1. À l'équilibre, les concentrations de réactifs et de produits dans une réaction réversible ne changent pas à l'heure.
  2. Une réaction réversible à l'équilibre n'est pas statique - les réactifs et les produits continuent de s'interconvertir à l'équilibre, mais les vitesses des réactions directes et inverses sont les mêmes.
  3. Nous n'allions PAS tomber dans le piège commun des étudiants en supposant que l'équilibre chimique signifie que les concentrations de réactifs et de produits sont égales à l'équilibre.

Ici, nous étendons notre discussion et plaçons le concept d'équilibre dans le contexte de l'énergie libre, renforçant également l'exercice de l'histoire de l'énergie consistant à considérer les états "Avant/Début" et "Après/Fin" d'une réaction (y compris le passage inhérent du temps) .

Figure 1. Diagramme de coordonnées de réaction pour une réaction réversible exergonique générique. Équations reliant l'énergie libre et la constante d'équilibre : R = 8,314 J mol-1 K-1 ou 0,008314 kJ mol-1 K-1; T est la température en Kelvin.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

La figure ci-dessus montre une relation couramment citée entre ∆G° et Kéq: G° = -RTlnKéq. Ici, G° indique l'énergie libre dans des conditions standard (par exemple, 1 atmosphère de pression, 298K). Dans le contexte d'une histoire d'énergie, cette équation décrit le changement d'énergie libre d'une réaction dont la condition de départ est hors d'équilibre ; spécifiquement, toute la matière au "début" est sous forme de réactifs, et la "fin" de la réaction est l'état d'équilibre. Implicite est l'idée que la réaction peut théoriquement se dérouler dans un temps infini de sorte que quelle que soit la forme de sa surface énergétique, elle puisse atteindre l'équilibre. On peut également considérer une réaction où l'état "de départ" se situe quelque part entre l'état de départ ci-dessus et l'équilibre et peut-être où la réaction n'est pas à l'équilibre. Dans ce cas, on peut examiner le G (conditions non standard) entre l'état de départ "intermédiaire" et l'équilibre en considérant l'équation ∆G = ∆G° + RTlnQ, où Q est appelé le quotient de réaction. Du point de vue de BIS2A, nous utiliserons une définition simple (un peu incomplète mais fonctionnelle) pour Q = [Produits]st/[Réactifs]st à une condition de "démarrage" définie de non-équilibre st. L'équation ∆G = ∆G° + RTlnQ peut donc être lue comme l'énergie libre de la transformation étant égale à l'énergie libre associée à la différence d'énergie libre pour la condition standard idéale plus la contribution d'énergie libre qui représente l'écart par rapport à la état de départ "idéal" représenté par l'état et les conditions de départ réels. Dans les deux cas, la condition « finale » est toujours l'équilibre ; nous ne faisons que changer de point de départ. On peut étendre cette idée et calculer la différence d'énergie libre entre deux états de non-équilibre, à condition qu'ils soient correctement définis, mais c'est à votre professeur de chimie de vous déranger. Le point clé ici est qu'il existe un moyen de concevoir et de calculer les changements d'énergie libre entre des états spécifiquement définis, et pas seulement l'état initial standard et l'équilibre comme état final.

Cela nous amène au point central du résumé. Dans de nombreux livres de biologie, la discussion sur l'équilibre comprend non seulement la discussion des vitesses de réaction directe et inverse, mais aussi une déclaration selon laquelle ∆G = 0 à l'équilibre. Cela confond souvent certains étudiants car on leur apprend également qu'un ∆G non nul peut être associé à une réaction allant à l'équilibre. Nous le faisons chaque fois que nous rapportons le G d'une réaction ou examinons un diagramme de coordonnées de réaction. Ainsi, les élèves ont tendance à mémoriser l'énoncé « ∆G=0 à l'équilibre » sans apprécier d'où il vient. La clé pour fermer la déconnexion apparente pour beaucoup est de comprendre que l'interprétation des déclarations parfois apparemment contradictoires dépend beaucoup de la définition des états de départ et de fin utilisés pour calculer ∆G. Dans le cas de rapporter ∆G pour une réaction, l'état de départ a été décrit dans les paragraphes ci-dessus (de deux manières - soit dans des conditions standard, soit dans un état hors d'équilibre non standard), et l'état de fin est un certain temps plus tard, une fois que la réaction a atteint l'équilibre. Étant donné que les états de départ et de fin sont différents, ∆G peut être différent de zéro, positif ou négatif. En revanche, l'énoncé qui conclut « ∆G=0 à l'équilibre » considère un état de départ différent. Dans ce cas, l'état de départ est le système déjà à l'équilibre. L'état final est considéré comme quelque temps plus tard, mais toujours à l'équilibre. Puisque les états de départ et de fin sont apparemment les mêmes, ∆G = 0.

Tampons

Étant donné que les changements de pH peuvent considérablement influencer la fonction de nombreuses biomolécules, les organismes unicellulaires et multicellulaires ont développé divers moyens de se protéger contre les changements de pH. L'un de ces mécanismes est l'utilisation de petites molécules qui peuvent, sur la base de leurs propriétés chimiques, être classées comme tampons. Tampons sont généralement de petites molécules qui peuvent lier et délier de manière réversible les protons en solution. Si le pH dans un environnement est inférieur au pKa d'un groupe fonctionnel protonable sur la molécule tampon, ce groupe aura tendance à devenir protoné et donc à "retirer" un proton de la solution. Alternativement, si le pH dans un environnement est supérieur au pKa du même groupe fonctionnel protonable sur la molécule tampon, ce groupe aura tendance à devenir ou à rester déprotoné, abaissant le pH local.

du corps soigneusement maintenu dans la plage étroite requise pour la survie. Le maintien d'un pH sanguin constant est essentiel au bien-être d'une personne. Le tampon qui maintient le pH du sang humain comprend de l'acide carbonique (H2CO3), des ions bicarbonate (HCO3–) et du dioxyde de carbone (CO2). Lorsque les ions bicarbonate se combinent avec les ions hydrogène libres et deviennent de l'acide carbonique, les ions hydrogène sont éliminés, modérant les changements de pH. De même, l'excès d'acide carbonique peut être converti en dioxyde de carbone gazeux et exhalé par les poumons. Cela empêche trop d'ions hydrogène libres de s'accumuler dans le sang et de réduire dangereusement son pH. De même, si trop d'OH– est introduit dans le système, l'acide carbonique réagira avec lui pour créer du bicarbonate, abaissant le pH. Sans ce système tampon, le pH du corps fluctuerait suffisamment pour mettre sa survie en danger.

Figure 1. Ce diagramme montre la mise en mémoire tampon des niveaux de pH sanguin par le corps. Les flèches bleues montrent le processus d'augmentation du pH à mesure que plus de CO2 est produit.

D'autres exemples de tampons sont les antiacides utilisés pour lutter contre l'excès d'acide gastrique. Beaucoup de ces médicaments en vente libre fonctionnent de la même manière que les tampons sanguins, généralement avec au moins un ion capable d'absorber l'hydrogène et de modérer le pH, soulageant ainsi ceux qui souffrent de « brûlures d'estomac » après avoir mangé. En plus des nombreuses caractéristiques bénéfiques de l'eau, ses propriétés uniques qui contribuent à cette capacité d'équilibrer le pH sont essentielles au maintien de la vie sur Terre.

Groupes fonctionnels

Un groupe fonctionnel est un groupe spécifique d'atomes au sein d'une molécule qui est responsable d'une caractéristique de cette molécule. De nombreuses molécules biologiquement actives contiennent un ou plusieurs groupes fonctionnels. Dans BIS2A, nous passerons en revue les principaux groupes fonctionnels trouvés dans les molécules biologiques. Il s'agit notamment des éléments suivants : hydroxyle, méthyle, carbonyle, carboxyle, amino et phosphate (voir la figure 1).

Figure 1. Les groupes fonctionnels présentés ici se trouvent dans de nombreuses molécules biologiques différentes. "R" représente tout autre atome ou extension de la molécule.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre travail adapté de l'image précédente de source inconnue)

Un groupe fonctionnel peut participer à une variété de réactions chimiques. Certains des groupes fonctionnels importants dans les molécules biologiques sont indiqués ci-dessus : hydroxyle, méthyle, carbonyle, carboxyle, amino, phosphate et sulfhydryle (non illustré). Ces groupes jouent un rôle important dans la formation de molécules comme l'ADN, les protéines, les glucides et les lipides. Les groupes fonctionnels peuvent parfois être classés comme ayant des propriétés polaires ou non polaires en fonction de leur composition atomique et de leur organisation. Le terme polaire décrit quelque chose qui a une propriété qui n'est pas symétrique - il peut avoir différents pôles (plus ou moins quelque chose à différents endroits). Dans le cas des liaisons et des molécules, la propriété qui nous intéresse est généralement la répartition des électrons et donc de la charge électrique entre les atomes. Dans une liaison ou une molécule non polaire, les électrons et la charge seront répartis de manière relativement uniforme. Dans une liaison ou une molécule polaire, les électrons auront tendance à être plus concentrés dans certaines zones que dans d'autres. Un exemple de groupe non polaire est la molécule de méthane (voir la discussion dans le chapitre sur les types de liaison pour plus de détails). Parmi les groupes fonctionnels polaires se trouve le groupe carboxyle présent dans les acides aminés, certaines chaînes latérales d'acides aminés et les acides gras qui forment les triglycérides et les phospholipides.

Groupes fonctionnels non polaires

Méthyle R-CH3

Le groupe méthyle est le seul groupe fonctionnel non polaire dans notre liste de classes ci-dessus. Le groupe méthyle est constitué d'un atome de carbone lié à trois atomes d'hydrogène. Dans cette classe, nous traiterons ces liaisons C-H comme des liaisons covalentes effectivement non polaires (plus d'informations à ce sujet dans le chapitre Types de liaisons). Cela signifie que les groupes méthyle sont incapables de former des liaisons hydrogène et n'interagiront pas avec les composés polaires tels que l'eau.

Figure 2. L'acide aminé isoleucine est à gauche et le cholestérol est à droite. Chacun a un groupe méthyle entouré en rouge. Attribution : créé par Marc T. Facciotti (propre travail adapté d'Erin Easlon)

Les groupes méthyle mis en évidence ci-dessus se trouvent dans une variété de composés biologiquement pertinents.Dans certains cas, le composé peut avoir un groupe méthyle mais rester globalement un composé polaire en raison de la présence d'autres groupes fonctionnels avec des propriétés polaires (voir la discussion sur les groupes fonctionnels polaires ci-dessous).

Au fur et à mesure que nous en apprendrons davantage sur les autres groupes fonctionnels, nous ajouterons à la liste des groupes fonctionnels non polaires. Soyez alerte!

Groupes fonctionnels polaires

Hydroxyle R-OH

Un hydroxyle (groupe alcool) est un groupe -OH lié de manière covalente à un atome de carbone. L'atome d'oxygène est beaucoup plus électronégatif que l'hydrogène ou le carbone, ce qui fera que les électrons des liaisons covalentes passeront plus de temps autour de l'oxygène qu'autour du C ou du H. Par conséquent, les liaisons OH et OC dans le groupe hydroxyle seront être des liaisons covalentes polaires. La figure 3 représente les charges partielles,+ et-, qui sont associés au groupe hydroxyle.

Figure 3. Le groupe fonctionnel hydroxyle présenté ici consiste en un atome d'oxygène lié à un atome de carbone et à un atome d'hydrogène. Ces liaisons sont covalentes polaires, ce qui signifie que l'électron impliqué dans la formation des liaisons n'est pas partagé également entre les liaisons C-O et O-H. Facciotti (propre travail)

Figure 4. Les groupes fonctionnels hydroxyle peuvent former des liaisons hydrogène, représentées par une ligne pointillée. La liaison hydrogène se formera entre le δ - de l'atome d'oxygène et le δ + de l'atome d'hydrogène. Les dipôles sont représentés par des flèches bleues. Facciotti (œuvre originale)

Les groupes hydroxyle sont très courants dans les molécules biologiques. Des groupes hydroxyle apparaissent sur les glucides (A), sur certains acides aminés (B) et sur les acides nucléiques (C). Pouvez-vous trouver des groupes hydroxyle dans le phospholipide en (D) ?

Figure 5. Des groupes hydroxyle apparaissent sur les glucides (A, glucose), sur certains acides aminés (B, Sérine) et sur les nucléotides (C, adénosine triphosphate). D est un phospholipide.

Carboxyle R-COOH

L'acide carboxylique est une combinaison d'un groupe carbonyle et d'un groupe hydroxyle attachés au même carbone, ce qui donne de nouvelles caractéristiques. Le groupe carboxyle peut s'ioniser, ce qui signifie qu'il peut agir comme un acide et libérer l'atome d'hydrogène du groupe hydroxyle sous forme de proton libre (H+). Il en résulte une charge négative délocalisée sur les atomes d'oxygène restants. Les groupes carboxyle peuvent basculer entre protonés (R-COOH) et déprotonés (R-COO-) en fonction du pH de la solution.

Le groupe carboxyle est très polyvalent. Dans son état protoné, il peut former des liaisons hydrogène avec d'autres composés polaires. Dans son état déprotoné, il peut former des liaisons ioniques avec d'autres composés chargés positivement. Cela aura plusieurs conséquences biologiques qui seront davantage explorées lorsque nous discuterons des enzymes.

Pouvez-vous identifier tous les groupes carboxyle sur les macromolécules montrées ci-dessus dans la figure 5 ?

Amino R-NH3

Le groupe amino est constitué d'un atome d'azote lié par des liaisons simples à des atomes d'hydrogène. Un composé organique qui contient un groupe amino est appelé amine. Comme l'oxygène, l'azote est également plus électronégatif que le carbone et l'hydrogène, ce qui donne au groupe amino un caractère polaire.

Les groupes amino peuvent également agir comme des bases, ce qui signifie que l'atome d'azote peut se lier à un quatrième atome d'hydrogène, comme le montre la figure 6. Une fois que cela se produit, l'atome d'azote acquiert une charge positive et peut désormais participer aux liaisons ioniques.

Figure 6. La fonction amine peut exister à l'état déprotoné ou protoné. Lorsqu'il est protoné, l'atome d'azote est lié à trois atomes d'hydrogène et a une charge positive. La forme déprotonée de ce groupe est neutre. Attribution : créé par Erin Easlon (propre travail)

Phosphate R-PO4-

Un groupe phosphate est un atome de phosphore lié de manière covalente à quatre atomes d'oxygène et contient une liaison P=O et trois P-O obligations. Les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que l'atome de phosphore, ce qui entraîne des liaisons covalentes polaires. Par conséquent, ces atomes d'oxygène sont capables de former des liaisons hydrogène avec des atomes d'hydrogène voisins qui ont également un+(atomes d'hydrogène liés à un autre atome électronégatif). Les groupes phosphate contiennent également une charge négative et peuvent participer à des liaisons ioniques.

Les groupes phosphate sont communs dans les acides nucléiques et sur les phospholipides (le terme « phospho » faisant référence au groupe phosphate sur le lipide). Dans la figure 7 sont des images d'un nucléotide, du monophosphate de désoxyadénosine (à gauche) et d'une phosphosérine (à droite).

Figure 7. Un nucléotide, la désoxyadénosine monphosphate, se trouve à gauche et la phosphosérine à droite. Chacun a un groupe phosphate entouré en rouge.
Attribution : créé par Marc T. Facciotti (propre travail)


25 : Chimie de la vie : chimie organique et biologique

Le carbone est unique parmi les éléments dans sa capacité à enchaîner, pour former une grande variété de composés qui contiennent de longues chaînes et/ou des cycles d'atomes de carbone. Certaines des structures chimiques les plus complexes connues sont celles des molécules organiques présentes dans les organismes vivants. Malgré leur taille et leur complexité, ces molécules biologiques obéissent aux mêmes principes chimiques que les molécules organiques plus simples. Ainsi, nous pouvons utiliser les structures électroniques de Lewis pour comprendre le mode de réactivité préféré d'une variété de composés organiques, les électronégativités relatives et les polarités de liaison pour prédire comment certains groupes d'atomes réagiront, et la théorie des orbitales moléculaires pour expliquer pourquoi certaines espèces organiques qui contiennent des liaisons multiples sont particulièrement stables ou subissent des réactions particulières lorsqu'elles interagissent avec la lumière.

Dans ce chapitre, nous poursuivons notre description des composés organiques en nous concentrant sur leurs structures moléculaires et leur réactivité, nous présenterons également certains des types fondamentaux de réactions et de mécanismes de réaction que vous rencontrerez en chimie organique et biologique. Nous discutons pourquoi le beurre est un solide et les huiles sont des liquides malgré les similitudes apparentes dans leurs structures, pourquoi l'ibuprofène, un médicament anti-inflammatoire largement utilisé, met plus d'une demi-heure à soulager la douleur, et l'identité du principal cancérogène dans les viandes grillées et les cigarettes. fumée. Le chapitre se termine par une brève introduction aux molécules de la vie, qui expliquera comment la consommation de lactose peut entraîner un retard mental et une cirrhose du foie chez certains individus, comment les animaux hibernants survivent pendant l'hiver et comment certains groupes d'antibiotiques tuent. bactéries nocives pour l'homme.

Vignette : Double hélice d'ADN. (Institut national de recherche sur le génome humain du domaine public)


Questions et réponses sur la biologie en ligne - Biologie de base, partie 2 (26-50)

(a) ADN enfermé dans une enveloppe protéique (b) Noyau procaryote (c) Chromosome unique (d) ADN et ARN

27) Comment les conifères réduisent-ils le taux de transpiration ?

Réponse : Ils ont des feuilles en forme d'aiguilles, d'écailles ou coriaces, une cuticule épaisse, des stomates enfoncés, etc.

28) Qui a le premier avancé l'hypothèse nébulaire de l'origine du système solaire ?

20) Où trouve-t-on « l'arbre de Noël » ?

30) Les bactéries mobiles sont capables de se déplacer en :

(a) Fimbriae (b) Flagelles (c) Cils (d) Pili

31) Différencier sporophyte et gamétophyte :

Réponse : Sporophyte est diploïde, Gametophyte est haploïde.

32) Qu'est-ce qui a aidé à former différents types de composés organiques sur terre à partir de sels inorganiques, de minéraux et de gaz au début ?

Réponse : Haute température, rayons ultraviolets et éclairs.

33) Nommez n'importe quel type de plante polygame :

34) Un exemple de tige souterraine comestible est :

(a) Carotte (b) Arachide (c) Patate douce (d) Pomme de terre

35) Où sont représentées les étamines chez Pinus ?

36) Qui le premier a proposé que la vie provienne de substances non vivantes par le biais de processus chimiques ?

37) Il y a combien d'années les plantes à fleurs sont-elles apparues ?

Réponse : Environ 130 millions d'années.

38) Le vrai noyau est absent dans :

(a) Mucor (b) Vaucheria (c) Volvox (d) Anabaena

39) Qu'entendez-vous par UICN

Réponse : Union internationale pour la conversation sur la nature et les ressources naturelles.

40) Quel est le nom de la théorie qui croit que la vie est issue de substances inorganiques par le biais de processus chimiques ?

Réponse : Théorie physico-chimique/ Théorie naturaliste/ Théorie d'origine chimiosynthétique.

41) Où trouve-t-on l'arbre le plus ancien ?

42) Laquelle des structures suivantes ne se trouve pas dans une cellule procaryote ?

(a) Ribosome (b) Mésosome (c) Membrane plasmique (d) Enveloppe nucléaire

43) Écrivez un exemple de parasite de racine :

44) Pourquoi les premiers organismes étaient-ils aérobies ?

Réponse : L'atmosphère de la terre ne possédait pas d'oxygène à cette époque.

45) Écris un exemple de plante insectivore :

46) Les champignons imparfaits qui décomposent la litière et aident au cycle minéral appartiennent à :

(a) Basidiomycètes (b) Phycomycètes (c) Ascomycètes (d) Deutéromycètes

47) Écris un exemple de monocot :

48) Quand les procaryotes sont-ils apparus sur terre ?

Réponse : il y a 4200 millions d'années.

49) Écris un exemple de dicot :

50) Les structures qui aident certaines bactéries à se fixer aux roches et/ou aux tissus hôtes sont :

(a) Fimbriae (b) Mesosomes (c) Holdfast (d) Rhizoïdes


Les glucides

Les glucides sont des macromolécules avec lesquelles la plupart des consommateurs sont quelque peu familiers. Pour perdre du poids, certaines personnes adhèrent à des régimes « faibles en glucides ». Les athlètes, en revanche, "se chargent souvent en glucides" avant les compétitions importantes pour s'assurer qu'ils ont suffisamment d'énergie pour concourir à un niveau élevé. Les glucides sont, en fait, une partie essentielle de notre alimentation. Les céréales, les fruits et les légumes sont tous des sources naturelles de glucides. Les glucides fournissent de l'énergie à l'organisme, notamment grâce au glucose, un sucre simple. Les glucides ont également d'autres fonctions importantes chez les humains, les animaux et les plantes.

Les glucides peuvent être représentés par la formule (CH2O)m, où m est le nombre d'atomes de carbone dans la molécule. En d'autres termes, le rapport carbone/hydrogène/oxygène est de 1:2:1 dans les molécules de glucides. Les glucides sont classés en trois sous-types : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

Monosaccharides (mono- = "un" sacchar- = "sucré") sont des sucres simples, dont le plus courant est le glucose. Dans les monosaccharides, le nombre d'atomes de carbone varie généralement de trois à six. La plupart des noms de monosaccharides se terminent par le suffixe -ose. Selon le nombre d'atomes de carbone dans le sucre, ils peuvent être appelés trioses (trois atomes de carbone), pentoses (cinq atomes de carbone) et hexoses (six atomes de carbone).

Les monosaccharides peuvent exister sous forme de chaîne linéaire ou de molécules en forme d'anneau dans des solutions aqueuses, ils se trouvent généralement sous forme d'anneau.

La formule chimique du glucose est C6H12O6. Chez la plupart des espèces vivantes, le glucose est une importante source d'énergie. Pendant la respiration cellulaire, l'énergie est libérée à partir du glucose, et cette énergie est utilisée pour aider à fabriquer l'adénosine triphosphate (ATP). Les plantes synthétisent du glucose en utilisant du dioxyde de carbone et de l'eau par le processus de photosynthèse, et le glucose, à son tour, est utilisé pour les besoins énergétiques de la plante. L'excès de glucose synthétisé est souvent stocké sous forme d'amidon qui est décomposé par d'autres organismes qui se nourrissent de plantes.

Le galactose (partie du lactose ou du sucre du lait) et le fructose (présent dans les fruits) sont d'autres monosaccharides courants. Bien que le glucose, le galactose et le fructose aient tous la même formule chimique (C6H12O6), ils diffèrent structurellement et chimiquement (et sont connus sous le nom d'isomères) en raison des arrangements différents des atomes dans la chaîne carbonée.

Figure 2.14 Le glucose, le galactose et le fructose sont des monosaccharides isomères, ce qui signifie qu'ils ont la même formule chimique mais des structures légèrement différentes.

Disaccharides (di- = « deux ») se forment lorsque deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (une réaction dans laquelle se produit l'élimination d'une molécule d'eau). Au cours de ce processus, le groupe hydroxyle (-OH) d'un monosaccharide se combine avec un atome d'hydrogène d'un autre monosaccharide, libérant une molécule d'eau (H2O) et formant une liaison covalente entre les atomes des deux molécules de sucre.

Les disaccharides courants comprennent le lactose, le maltose et le saccharose. Le lactose est un disaccharide constitué des monomères glucose et galactose. On le trouve naturellement dans le lait. Le maltose, ou sucre de malt, est un disaccharide formé à partir d'une réaction de déshydratation entre deux molécules de glucose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, ou sucre de table, qui est composé des monomères glucose et fructose.

Une longue chaîne de monosaccharides liés par des liaisons covalentes est connue sous le nom de polysaccharide (poly- = « plusieurs »). La chaîne peut être ramifiée ou non ramifiée, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Les polysaccharides peuvent être de très grosses molécules. L'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont des exemples de polysaccharides.

Amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composée d'amylose et d'amylopectine (deux polymères du glucose). Les plantes sont capables de synthétiser du glucose, et l'excès de glucose est stocké sous forme d'amidon dans différentes parties de la plante, y compris les racines et les graines. L'amidon qui est consommé par les animaux est décomposé en molécules plus petites, telles que le glucose. Les cellules peuvent alors absorber le glucose.

Glycogène est la forme de stockage du glucose chez l'homme et d'autres vertébrés, et est composé de monomères de glucose. Le glycogène est l'équivalent animal de l'amidon et est une molécule hautement ramifiée généralement stockée dans les cellules du foie et des muscles. Chaque fois que les niveaux de glucose diminuent, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose.

Cellulose est l'un des biopolymères naturels les plus abondants. Les parois cellulaires des plantes sont principalement constituées de cellulose, qui fournit un support structurel à la cellule. Le bois et le papier sont principalement de nature cellulosique. La cellulose est composée de monomères de glucose qui sont liés par des liaisons entre des atomes de carbone particuliers dans la molécule de glucose.

Tous les autres monomères de glucose dans la cellulose sont retournés et emballés étroitement sous forme de longues chaînes étendues. Cela donne à la cellulose sa rigidité et sa haute résistance à la traction, ce qui est si important pour les cellules végétales. La cellulose qui traverse notre système digestif est appelée fibre alimentaire. Alors que les liaisons glucose-glucose de la cellulose ne peuvent pas être décomposées par les enzymes digestives humaines, les herbivores tels que les vaches, les buffles et les chevaux sont capables de digérer l'herbe riche en cellulose et de l'utiliser comme source de nourriture. Chez ces animaux, certaines espèces de bactéries résident dans le rumen (partie du système digestif des herbivores) et sécrètent l'enzyme cellulase. L'appendice contient également des bactéries qui décomposent la cellulose, lui conférant un rôle important dans le système digestif des ruminants. Les cellulases peuvent décomposer la cellulose en monomères de glucose qui peuvent être utilisés comme source d'énergie par l'animal.

Les glucides remplissent d'autres fonctions chez différents animaux. Les arthropodes, tels que les insectes, les araignées et les crabes, ont un squelette externe, appelé exosquelette, qui protège les parties internes de leur corps. Cet exosquelette est constitué de la macromolécule biologique chitine, qui est un glucide azoté. Il est composé d'unités répétitives d'un sucre modifié contenant de l'azote.

Ainsi, grâce à des différences de structure moléculaire, les glucides sont capables de remplir des fonctions très différentes de stockage d'énergie (amidon et glycogène) et de soutien structurel et de protection (cellulose et chitine).

Figure 2.15 Bien que leurs structures et fonctions diffèrent, tous les glucides polysaccharides sont composés de monosaccharides et ont la formule chimique (CH2O)n.

Diététiste professionnelle : L'obésité est un problème de santé mondial et de nombreuses maladies, comme le diabète et les maladies cardiaques, deviennent de plus en plus répandues en raison de l'obésité. C'est l'une des raisons pour lesquelles les diététistes sont de plus en plus sollicités pour obtenir des conseils. Les diététistes professionnelles aident à planifier des programmes d'alimentation et de nutrition pour les personnes dans divers contextes. Ils travaillent souvent avec des patients dans des établissements de santé, concevant des plans de nutrition pour prévenir et traiter les maladies. Par exemple, les diététistes peuvent enseigner à un patient diabétique comment gérer sa glycémie en consommant les bons types et quantités de glucides. Les diététistes peuvent également travailler dans des maisons de soins infirmiers, des écoles et des cabinets privés.

Pour devenir diététiste, il faut obtenir au moins un baccalauréat en diététique, nutrition, technologie alimentaire ou dans un domaine connexe. De plus, les diététistes doivent suivre un programme de stage supervisé et réussir un examen national. Ceux qui poursuivent une carrière en diététique suivent des cours de nutrition, de chimie, de biochimie, de biologie, de microbiologie et de physiologie humaine. Les diététistes doivent devenir des experts de la chimie et des fonctions des aliments (protéines, glucides et lipides).

À travers l'optique autochtone (Suzanne Wilkerson et Charles Molnar)

Je travaille au Camosun College situé dans la magnifique ville de Victoria, en Colombie-Britannique, avec des campus sur les territoires traditionnels des peuples Lekwungen et W̱SÁNEĆ. Le bulbe de stockage souterrain de la fleur de camas illustré ci-dessous a été une importante source de nourriture pour de nombreux peuples autochtones de l'île de Vancouver et dans toute la région ouest de l'Amérique du Nord. Les bulbes de camas sont toujours consommés comme source de nourriture traditionnelle et la préparation des bulbes de camas est liée à cette section de texte sur les glucides.

Figure 2.16 Image d'une fleur de camas bleue et d'un insecte pollinisateur. L'ampoule souterraine de camas est cuite dans un foyer. La chaleur agit comme l'enzyme amylase pancréatique et décompose les longues chaînes d'inuline non digestible en mono et disaccharides digestibles.

Le plus souvent, les plantes créent de l'amidon sous la forme stockée de glucides. Certaines plantes, comme les camas, créent de l'inuline. L'inuline est utilisée comme fibre alimentaire, mais elle n'est pas facilement digérée par les humains. Si vous deviez mordre dans une ampoule de camas crue, elle aurait un goût amer et une texture gommeuse. La méthode utilisée par les peuples autochtones pour rendre les camas à la fois digestes et savoureux consiste à cuire les bulbes lentement pendant une longue période dans un foyer souterrain recouvert de feuilles et de terre spécifiques. La chaleur agit comme notre enzyme amylase pancréatique et décompose les longues chaînes d'inuline en mono et disaccharides digestibles.

Correctement cuits, les bulbes de camas ont le goût d'une combinaison de poire au four et de figue cuite. Il est important de noter que si le camas bleu est une source de nourriture, il ne faut pas le confondre avec le camas de la mort blanche, qui est particulièrement toxique et mortel. Les fleurs sont différentes, mais les bulbes se ressemblent beaucoup.


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Biologie Un focus australien - ( Chapitre 3 La chimie de la vie)

L'état d'équilibre d'une réaction détermine son énergie disponible Énergie libre et constante d'équilibre Réactions chimiques spontanées et énergie libre Taux de réactions chimiques, énergie d'activation et catalyse

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques Se concentrer Encadré 3.1 L'ARN a été le premier catalyseur biologique Comment les enzymes sont spécifiques dans leur action Modèles d'action enzymatique Facteurs affectant l'activité enzymatique

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Se concentrer Encadré 3.2 Concevoir des médicaments qui inhibent l'activité enzymatique Cofacteurs et coenzymes Focus Encadré 3.3 Principales classes d'enzymes

Les réactions chimiques entraînent des événements dans les cellules Métabolisme L'ATP est un vecteur d'énergie Voies de transport des électrons

Réactions d'oxydation et de réduction Porteurs d'électrons biologiques Énergie dans les molécules de carburant

Les organismes vivants sont composés de molécules organiques, qui doivent être soit synthétisées par l'organisme, soit absorbées comme nourriture. La synthèse de biomolécules nécessite de l'énergie, comme tous les processus de la vie, d'une cellule en division, à une plante en fleurs, à un aigle en vol. Mais vous êtes-vous déjà demandé comment la nourriture que vous mangez fournit de l'énergie ou se transforme en tissus vivants de votre corps ? Comment vos cellules extraient-elles l'énergie et effectuent-elles les diverses réactions biochimiques qui construisent de nouvelles molécules ou en décomposent d'autres ? Dans quelle mesure la chimie de toutes les formes de vie est-elle similaire ? Dans ce chapitre, nous examinons : la nature de l'énergie - comment elle ne peut pas être créée ou détruite mais peut changer de forme, et comment elle est impliquée dans les réactions chimiques les réactions chimiques de base dans les cellules et le rôle des enzymes ATP, la molécule qui fournit l'énergie immédiate sous une forme utilisable par les cellules, les molécules combustibles, leur structure et leur énergie chimique potentielle.

Les réactions chimiques et les processus vitaux dépendent de

Énergie

Les organismes vivants et leurs cellules constituantes sont très organisés. Le plan directeur de cette organisation réside dans les gènes, et l'énergie est nécessaire pour construire des structures vivantes et pour maintenir ces structures dans un état fonctionnel. La deuxième loi de la thermodynamique nous dit que la force motrice de tous les processus physiques dans l'univers est la tendance de la matière à devenir

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Figure 3.1 Énergie potentielle. L'énergie potentielle de l'eau dans ce cours d'eau du parc national de Litchfield, dans le Territoire du Nord, est convertie en énergie cinétique lorsqu'elle tombe à un niveau inférieur. Cette forme d'énergie est récupérée par des aménagements hydroélectriques.

Lois de la thermodynamique

Les première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Selon cette loi, l'énergie peut être transformée d'une forme à une autre mais l'énergie totale de l'univers reste constante. Aucune transformation d'énergie n'est efficace à 100 %. Lorsque l'énergie passe d'une forme à une autre, une partie est toujours perdue sous forme de chaleur. Dans les systèmes biologiques, l'efficacité des conversions d'énergie de l'énergie stockée en énergie utilisable n'est que d'environ 30 % ou moins. Par exemple, nous avons tous connu une augmentation de la température corporelle pendant l'exercice lorsque l'énergie chimique dans les muscles est transformée en énergie mécanique sous forme de contraction musculaire, libérant une quantité considérable d'énergie sous forme de chaleur. Comme toutes les formes d'énergie peuvent finalement être converties en chaleur, l'énergie est généralement mesurée en termes de chaleur équivalente (mesurée en joules).

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Figure 3.2 Exemples de transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique. (a) Aigle australien plongeant pour attraper sa proie. (b) Un semis de pois émergent convertit l'énergie chimique potentielle en énergie cinétique de mouvement lorsqu'elle traverse le sol vers la lumière.

La première loi de la thermodynamique ne nous dit rien sur la direction des transformations énergétiques. Les deuxième loi de la thermodynamique explique cela et déclare que l'entropie de l'univers augmente. Entropie est une mesure du désordre. Ainsi, en termes clairs, tous les processus physiques et chimiques se déroulent dans la direction où le hasard est maximisé. Par exemple, à moins qu'on ne lui donne une poussée, une bille descendra mais pas montera. La poussée est l'énergie et, dans les systèmes vivants, les structures complexes se dégraderont à moins que de l'énergie ne soit injectée dans le système. Le marbre pouvez monter tant que l'énergie est fournie, et de la même manière, des systèmes peuvent être construits malgré leur complexité et leur faible teneur en entropie tant que suffisamment d'énergie est fournie. Bien sûr, l'énergie doit être appliquée exactement au bon endroit et en quantité. Le plan directeur pour contrôler l'utilisation de l'énergie dans la construction de structures biologiques complexes réside dans l'ADN de chaque organisme.

L'énergie est la capacité de faire un travail et existe sous deux formes générales : l'énergie potentielle et l'énergie cinétique. Les transformations énergétiques sont décrites par les lois de la thermodynamique. La tendance de la matière à se rendre aléatoire dans n'importe quel système est la force motrice de tous les processus physiques et chimiques.

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versa. Si B et C sont éliminés au fur et à mesure qu'ils se forment, alors la réaction se déroule vers la droite et plus de produits sont formés La réaction est à équilibre lorsqu'il n'y a pas de changement net dans la concentration des réactifs ou des produits (Fig. 3.3). En effet, à l'équilibre, les vitesses des réactions directes et inverses sont les mêmes. Dans les limites du système dans lequel elles se produisent, les réactions chimiques à l'équilibre sont dans un état de désordre maximal (possédant une entropie maximale). Un ordre accru peut être obtenu en dépensant de l'énergie pour éloigner une réaction de son équilibre. Inversement, de l'énergie est libérée de toute réaction au fur et à mesure qu'elle progresse vers l'équilibre, et de l'énergie est nécessaire pour éloigner une réaction de l'équilibre. Par conséquent, au sens thermodynamique, une réaction qui n'est pas en équilibre a de l'énergie potentielle, qui peut être libérée si la réaction se déroule spontanément. La position d'équilibre d'une réaction chimique est décrite par la constante d'équilibre ( K eq) et défini comme :

lorsque les vitesses de réaction directe et inverse sont égales. Puisque la position d'équilibre d'une réaction est une propriété intrinsèque de cette réaction, c'est une constante thermodynamique. Pour la réaction

où [ ] désigne la concentration des réactifs. Si les réactifs et les produits contiennent la même énergie chimique par molécule, le K eq est 1. (Fig. 3.3) et la réaction est librement réversible. Si l'énergie de A est supérieure à B et C, la constante d'équilibre sera inférieure à 1 et la réaction directe est favorisée. Dans une telle réaction, de l'énergie est libérée et dans les systèmes biologiques, celle-ci sera piégée de manière à pouvoir être conservée pour effectuer le travail. A l'inverse, si l'énergie de B et C est supérieure à celle de A, la réaction inverse est favorisée et la constante d'équilibre sera supérieure à 1. Dans une telle réaction, la formation de B et C ne se produira que si de l'énergie est mise en la réaction pour conduire la réaction vers la droite. C'est un thème commun en biologie où les réactions défavorables agissent pour fournir les éléments constitutifs de la vie grâce à l'apport d'énergie. Ainsi, pour qu'une réaction fonctionne, elle doit être retirée de l'équilibre. Lorsque le substrat (A) a plus d'énergie que les produits (B et C), il s'apparente au marbre (A) au sommet de la colline - l'énergie peut être obtenue à partir de la réaction lorsqu'elle se déplace vers l'équilibre. Si l'énergie des produits est supérieure à celle du substrat, elle est semblable au marbre (A) à la

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bas de la colline, mais la réaction peut procéder à la formation de B + C à partir de A tant qu'une énergie suffisante est fournie.

Figure 3.3 Qu'est-ce qui détermine la direction d'une réaction chimique réversible ? Avec une concentration élevée de réactif A, la réaction se déroulera fortement dans le sens direct. Avec une concentration élevée de produits B et C, la réaction se déroulera fortement dans le sens opposé. À l'équilibre, les taux des réactions directes et inverses sont les mêmes. (Dans cet exemple, K éq = 1,0.)

Les réactions doivent être hors d'équilibre pour fonctionner. Les réactions les plus utiles pour fournir de l'énergie sont celles dont les constantes d'équilibre sont inférieures à 1,0.

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Le changement d'énergie libre d'une réaction est utile pour prédire si oui ou non, et dans quelle direction, une réaction se déroulera. Quand g est négatif (c'est-à-dire < 0), de l'énergie est libérée dans une réaction et la réaction est exergonique c'est-à-dire que la réaction est spontanée ou "descend" en termes d'énergie (Fig. 3.4a). Quand g est positif (c'est-à-dire > 0), de l'énergie est nécessaire pour qu'une réaction se déroule et la réaction est endergonique c'est-à-dire que la réaction ne se déroulera qu'avec l'apport d'énergie libre supplémentaire (Fig. 3.4b). Les réactions endergoniques peuvent être entraînées en étant couplées à des réactions exergoniques de sorte qu'une réaction fournisse de l'énergie à l'autre. Dans les systèmes biologiques, le couplage de telles réactions aboutissent à des processus chimiques dans lesquels des réactions non spontanées nécessitant de l'énergie sont liées à des réactions spontanées produisant de l'énergie. C'est la clé de la capacité des organismes à effectuer des réactions énergétiquement défavorables (en montée). Si la réaction A + X = B + Y a un g 0 ′ = − kJ mol−1 et la réaction Y + M = X + N a un Δ g 0 ′ = +15 kJ mol−1, les deux réactions peuvent être couplées

à travers le intermédiaires communs X et Y. Ici, la réaction exergonique entraîne la réaction endergonique. La réaction globale A + M = B + N a un g 0 ′ de (−20 + 15)−5 kJ mol−1. Notez que dans les réactions couplées, les intermédiaires communs s'annulent dans l'équation globale et dans de telles réactions, le changement global d'énergie libre est la somme du changement d'énergie libre des réactions individuelles. La quantité d'énergie disponible d'une réaction est son énergie libre. Une réaction se déroulera spontanément si ses produits contiennent moins d'énergie libre que les réactifs (une réaction exergonique). Dans les réactions spontanées, g est toujours négatif. Une réaction ne se déroulera pas sans apport d'énergie si ses produits ont plus d'énergie que les réactifs (une réaction endergonique).

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Figure 3.4 Réactions exergoniques et endergoniques. (a) Dans une réaction exergonique, ?? g est négatif, c'est-à-dire que l'énergie est libérée. (b) Dans une réaction endergonique, ?? g est positif, c'est-à-dire qu'il faut fournir de l'énergie pour que la réaction se déroule.

La quantité d'énergie disponible d'une réaction est son énergie libre, g. Une réaction se déroulera spontanément si ses produits contiennent moins d'énergie libre que les réactifs (une réaction exergonique). Dans les réactions spontanées, g est toujours négatif. Une réaction ne se déroulera pas sans apport d'énergie si ses produits ont plus d'énergie que les réactifs (une réaction endergonique).

Taux de réactions chimiques, énergie d'activation et catalyse

De nombreux composés à haute énergie sont très stables dans les types de conditions qui se produisent dans une cellule. Nous pouvons illustrer cela en considérant un tas de briques. Lorsqu'ils sont dérangés, ils libèrent de l'énergie (imaginez-les atterrir sur votre pied !). Cependant, s'ils ne sont pas dérangés, ils ne libèrent aucune de leur énergie potentielle. Pour libérer leur énergie, une petite quantité d'énergie doit être appliquée (une poussée) et le rendement global d'énergie dépasse largement l'énergie de la poussée. Les composés qui contiennent une grande quantité d'énergie libre, mais qui sont assez stables, sont appelés composés métastables. De même, de nombreuses réactions chimiques se déroulent normalement beaucoup trop lentement pour être utiles aux organismes, en particulier aux températures auxquelles la plupart des organismes fonctionnent. La vitesse ou la vitesse à laquelle une réaction chimique progresse vers l'équilibre, ou la cinétique de la réaction, est indépendante de K éq ou g 0 et dépend de l'énergie cinétique des molécules qui réagissent. Une population de molécules en solution peut avoir une énergie moyenne constante à un

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L'énergie d'activation nécessaire pour rompre les liaisons existantes détermine la vitesse d'une réaction. La catalyse est le processus d'abaissement de l'énergie d'activation des réactifs afin qu'une réaction se produise plus facilement. Les catalyseurs sont des substances qui réduisent l'énergie d'activation mais n'affectent pas les propriétés thermodynamiques d'une réaction.

Figure 3.6 Énergie requise pour qu'une réaction chimique se déroule dans le temps (→). (a) Pour qu'une réaction se produise, l'énergie doit être fournie pour modifier les liaisons chimiques. Cette énergie est l'énergie d'activation. (b) Un catalyseur accélère une réaction en abaissant l'énergie d'activation requise pour que la réaction se déroule. Notez que g ne change pas dans la réaction catalysée par l'enzyme.

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques

Les réactions chimiques dans les cellules vivantes sont accélérées par des catalyseurs biologiques. Catalyseurs sont des molécules qui présentent des surfaces auxquelles les réactifs peuvent se lier de manière très spécifique. Ils aident à réduire l'énergie d'activation d'une réaction en exerçant une contrainte sur les liaisons des réactifs, leur permettant de réagir. La plupart des catalyseurs biologiques sont des protéines et sont appelés enzymes , (Chapitre 2). Une cellule animale, par exemple, peut contenir jusqu'à 4000 types différents d'enzymes, chacune codée par son propre gène et chacune catalysant une réaction chimique différente. Certaines enzymes sont communes à de nombreux types de cellules, tandis que d'autres ne se trouvent que dans des cellules remplissant des fonctions particulières. Par exemple, l'enzyme pepsine, impliquée dans la digestion des protéines, ne se trouve que dans l'estomac, alors que les enzymes qui remplissent des fonctions d'entretien, telles que l'oxydation du glucose, se trouvent dans tous les tissus. Dans une réaction enzymatique, les réactifs sont appelés substrats. La plupart des enzymes sont très spécifiques dans leur mode de fonctionnement, agissant sélectivement sur un seul substrat ou sur un ensemble de substrats chimiquement apparentés. En tant que catalyseurs, les enzymes réduisent l'énergie d'activation nécessaire pour qu'une réaction se produise à des températures physiologiques (par exemple 37°C pour la plupart des mammifères). Une façon dont une enzyme abaisse la barrière d'énergie d'activation est de stabiliser l'intermédiaire de réaction.

SE CONCENTRER

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ENCADRÉ 3.1 L'ARN a été le premier catalyseur biologique

e tout premier catalyseur biologique était l'ARN (chapitre 2). En effet, on pense que lorsque la vie a évolué pour la première fois, l'ARN était à la fois le premier matériel génétique et le premier catalyseur. Il n'est donc pas surprenant que même dans les formes de vie actuelles, l'ARN agisse toujours comme un catalyseur. Des exemples sont dans l'épissage de l'ARN et dans la catalyse de la formation des liaisons peptidiques lorsque les protéines sont synthétisées sur les ribosomes (chapitre 4). Étant donné que les ribosomes contiennent à la fois des protéines et de l'ARN, on pensait initialement que l'ARN était purement structurel et que les protéines étaient les composants catalytiques. Cependant, avec la résolution de la structure du ribosome par cristallographie aux rayons X (Fig. B3.1), une tâche héroïque compte tenu de la taille et de la complexité du ribosome, il était surprenant de constater que dans la région où les liaisons peptidiques sont formé entre les acides aminés adjacents, il n'y avait aucune protéine à trouver, et il est devenu clair que l'ARN était en effet le catalyseur pour la formation de liaisons peptidiques. Regarder la structure, c'est voir une relique préhistorique du passé, ce qui équivaut à trouver un dinosaure survivant quelque part dans une partie reculée du monde. Au fil du temps, l'ADN a pris le relais en tant que matériel génétique dans toutes les espèces autres que certains virus, et les protéines, avec leur capacité à former un nombre presque infini de structures uniques, ont pris le relais en tant que catalyseurs biologiques.

Figure B3.1 L'ARN agit comme le catalyseur de la formation de liaisons peptidiques dans les ribosomes. Le ribosome est une structure responsable de la synthèse de protéines (chaînes polypeptidiques d'acides aminés) dans les cellules de toutes les espèces vivantes. Ils sont constitués d'ARNr (rouge) et de protéines (jaune et bleu). Les ribosomes se composent de deux sous-unités, la grande sous-unité 50S montrée ici et une petite sous-unité 30S. La sous-unité 50S contient le centre peptidyl transférase où la liaison peptidique est formée entre la chaîne peptidique en croissance et les nouveaux acides aminés entrants. La structure de la grande sous-unité 50S montre clairement que le site où la liaison peptidique est catalysée (PT - peptidyl transférase, représenté en vert) n'est pas une protéine mais un ARN.

Les enzymes ont un pouvoir catalytique extraordinaire. À titre d'exemple, considérons la réaction du dioxyde de carbone et de l'eau pour former de l'acide carbonique catalysé par l'anhydrase carbonique (notez que la terminaison «ase» indique une enzyme):

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Figure 3.7 Structure d'une protéine enzymatique globulaire. (a) Modèle de surface moléculaire de l'enzyme (1 → 3)-β-glucane hydrolase de l'orge en germination. Cette protéine globulaire présente un site de liaison pour le substrat β-glucane (un polysaccharide) dans un sillon peu profond (le site actif) à la surface de l'enzyme (enzyme représentée en bleu). Le substrat de β-glucane est représenté sous la forme d'un modèle de fil, avec les atomes de carbone des résidus de glucose du polysaccharide en jaune, les atomes d'oxygène en rouge. (b) Modèle montrant la structure secondaire du polypeptide (1 → 3)-β-glucan hydrolase composé d'hélices (rouge) et de feuillets (bleu) reliés par des boucles (représentées par une corde rouge). La chaîne polypeptidique est repliée dans la structure tertiaire globulaire illustrée dans (une) avec un sillon peu profond traversant sa surface, dans lequel les acides aminés acides glutamate 94, glutamate 231 et glutamate 288 sont positionnés pour permettre la participation au clivage catalytique des liaisons glycosidiques dans le substrat polysaccharidique.

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Figure 3.8 Acides aminés se liant au substrat dans le site actif d'une enzyme d'hydrolyse de la cellulose (cellulase). Les groupes hydroxyles sur les unités glucose du substrat cellulosique sont liés par des liaisons hydrogène, soit directement, soit par l'intermédiaire de molécules d'eau (cercles noirs), aux groupes R des acides aminés tapissant le site actif. Les lignes en pointillés indiquent les liaisons hydrogène.

Certains des groupes R tapissant le site actif sont impliqués dans la liaison et l'orientation spécifiques des molécules de substrat. Les groupes R forment des surfaces hydrophiles ou hydrophobes chargées ou non chargées dans le site actif, qui se lient précisément à des parties particulières des molécules de substrat. Par exemple, si un substrat a une charge positive sur une partie de sa molécule qui se lie au site actif, alors la partie correspondante du site actif de l'enzyme aura une charge négative. En plus de ces interactions ioniques, les liaisons hydrogène non covalentes et les forces de van der Waals (chapitre 1) sont également impliquées dans la liaison et l'orientation spécifiques des substrats dans le site actif. Outre les acides aminés impliqués dans la liaison au substrat, d'autres acides aminés du site actif sont impliqués dans la formation ou la rupture des liaisons covalentes. Voici les acides aminés catalytiques , qui participent à la réaction chimique en cours de catalyse. Dans certaines réactions enzymatiques, le substrat peut former un intermédiaire covalent transitoire avec un acide aminé catalytique dans le site actif. Pour que l'enzyme remplisse sa fonction catalytique, il est impératif que le substrat subissant le changement chimique soit positionné précisément par rapport aux acides aminés catalytiques, afin que le réarrangement des atomes dans la réaction chimique puisse se produire. C'est le rôle des acides aminés de liaison de diriger le substrat vers cette position.

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Figure 3.9 Modèles de réaction enzymatique. (a) Dans le modèle serrure et clé d'action enzymatique, la molécule substrat s'insère directement dans le site actif de l'enzyme. (b) Dans le modèle d'ajustement induit de l'action enzymatique, le substrat induit un changement de forme de l'enzyme qui positionne le substrat de manière à ce qu'une réaction se produise. (c) Dans le modèle de sélection d'action enzymatique, la forme de l'enzyme à laquelle le substrat peut se lier (A) est en équilibre avec la forme à laquelle il ne peut pas se lier (B). La liaison du substrat à (A) provoquera un rétablissement de l'équilibre thermodynamique entre A et B et maintenant plus de substrat se liera à A jusqu'à ce que, en présence d'un excès de substrat, la majeure partie de l'enzyme soit sous la forme avec substrat lié (C).

Les molécules de substrat liées dans le site actif sont amenées dans un état où les électrons peuvent échanger, rompant les liaisons existantes et créant de nouvelles liaisons. Cet état intermédiaire, où les molécules de substrat sont prêtes pour que la réaction se produise, est appelé le état de transition (Fig. 3.10). Dans cet état, les réactifs sont tendus et déformés ou ont une structure électronique défavorable.

Figure 3.10 Étapes d'une réaction catalysée par une enzyme. Lorsqu'une molécule de substrat se lie au site actif d'une enzyme, elle est amenée dans un état de transition dans lequel elle est contrainte et déformée, les liaisons existantes peuvent être rompues et la molécule dissociée en produits.

Ceci est décrit comme activation de l'état de transition . Le pouvoir catalytique des enzymes résulte de la liaison très spécifique de leurs états de transition.

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Facteurs affectant l'activité enzymatique

Les enzymes peuvent être extraites de cellules ou de tissus et étudiées sous forme active dans un tube à essai. De cette façon, nous pouvons apprendre comment les enzymes catalysent leurs réactions spécifiques et quel effet l'environnement (par exemple la température, le pH, la concentration du substrat) a sur le processus. De cette approche expérimentale, nous savons que la vitesse d'une réaction enzymatique dépend de la concentration des substrats, des produits et de l'enzyme elle-même. Par exemple, dans une solution d'une quantité donnée d'enzyme, plus la concentration de molécules de substrat est élevée, plus les molécules de substrat sont susceptibles de rencontrer fréquemment les sites actifs de molécules d'enzyme. Ainsi, plus la concentration du substrat est élevée, plus la vitesse d'une réaction enzymatique est élevée (Fig. 3.11). Cependant, la vitesse de réaction finira par atteindre une limite supérieure lorsque tous les sites actifs des molécules enzymatiques sont occupés, c'est-à-dire lorsqu'il y a plus de molécules de substrat que de sites actifs enzymatiques. Le taux ne peut alors être augmenté qu'en augmentant la concentration en enzyme (Fig. 3.11).

SE CONCENTRER
ENCADRÉ 3.2 Concevoir des médicaments qui inhibent l'activité enzymatique

les processus métaboliques, impliquant une chaîne de réactions séquentielles catalysées par des enzymes, sont régulés par des mécanismes où les enzymes clés d'une voie sont soit inhibées, soit activées. De nombreux inhibiteurs d'enzymes ont été trouvés ou synthétisés qui ont des applications médicales et biotechnologiques majeures. Comprendre comment les enzymes fonctionnent est essentiel dans le développement de médicaments pour le traitement des maladies des animaux et des plantes. Pour trouver de nouveaux médicaments pour traiter des infections ou des conditions pathologiques telles que le cancer, certains critères importants doivent être remplis avant de pouvoir être utilisés. Par exemple, la pénicilline, découverte par Alexander Fleming, est un inhibiteur de l'enzyme transpeptidase. Cette enzyme catalyse la formation de liaisons croisées entre les chaînes peptidiques dans la paroi cellulaire bactérienne. Lorsque l'enzyme est inhibée par la pénicilline, la paroi cellulaire devient instable et les bactéries meurent. Un critère important pour l'utilisation de ce médicament est que la transpeptidase n'est pas présente chez les animaux et que l'inhibiteur ne nuit donc pas à l'hôte traité (bien que l'antibiotique puisse provoquer des réactions immunitaires malheureuses chez certaines personnes). Le 5-fluorouracile (5-FU) est un médicament anticancéreux qui inhibe l'une des enzymes de la synthèse de l'ADN, la thymidylate synthase. Cette enzyme est impliquée dans la fabrication de la thymine (T) pour l'ADN et puisque la thymine se trouve uniquement dans l'ADN et non dans l'ARN, l'effet du 5-FU est spécifique dans le blocage de la synthèse de l'ADN et donc de la prolifération cellulaire. Dans ce cas, le médicament n'est pas spécifique de la cellule cible (cellule cancéreuse) car il inhibe la synthèse d'ADN dans toutes les cellules du patient. Ce fait présente un défi particulier pour l'utilisation de ce médicament, et pour tous les médicaments cytotoxiques utilisés en chimiothérapie. Ce défi consiste à équilibrer la sévérité du traitement pour maximiser la destruction des cellules cancéreuses avec la nécessité de maintenir le patient en vie. Une particularité du 5-FU est que pendant la réaction de la thymidylate synthase, l'atome de fluor est activé et le médicament devient irréversiblement lié au site actif de l'enzyme, faisant de ce médicament un inhibiteur irréversible de la synthèse de l'ADN. Ces médicaments sont appelés inhibiteurs suicides et sont l'un des types d'inhibiteurs enzymatiques les plus efficaces.


2.2 Éléments et composés

A. Composés
1. Lorsque deux éléments différents ou plus réagissent ou se lient ensemble, ils forment un composé (par exemple, H2O).
2. Une molécule est la plus petite partie d'un composé qui possède les propriétés du composé.
3. Les électrons possèdent de l'énergie et les liaisons qui existent entre les atomes dans les molécules contiennent de l'énergie.

B. Liaison ionique
1. Les liaisons ioniques se forment lorsque des électrons sont transférés d'un atome à un autre.
2. Perdant ou gagnant des électrons, les atomes participant aux réactions ioniques remplissent les enveloppes externes et sont plus stables.
3. Exemple : le sodium avec un électron de moins a une charge positive le chlore a un électron supplémentaire qui a une charge négative. Ces particules chargées sont appelées ions.
4. L'attraction d'ions de charges opposées maintient les deux atomes ensemble dans une liaison ionique.

C. Liaison covalente
1. Des liaisons covalentes se produisent lorsque deux atomes partagent des électrons, de sorte que chaque atome a un octet d'électrons dans la couche externe.
2. L'hydrogène peut céder un électron pour devenir un ion hydrogène (H+) ou partager un électron avec un autre atome pour compléter sa couche externe de deux électrons.
3. Les formules développées représentent un atome partagé sous la forme d'une ligne entre deux atomes, par exemple une liaison covalente simple (H-H), une liaison covalente double (O = O)
4. La forme tridimensionnelle des molécules n'est pas représentée par des formules structurelles, mais la forme est essentielle pour comprendre l'action biologique des molécules : action de l'insuline, des récepteurs du VIH, etc.

D. Liaisons covalentes non polaires et polaires
1. Dans les liaisons covalentes non polaires, le partage des électrons est égal.
2. Avec des liaisons covalentes polaires, le partage des électrons est inégal.
une. Dans la molécule d'eau (H2O), le partage des électrons par l'oxygène et l'hydrogène n'est pas égal à l'atome d'oxygène avec plus de protons qui domine l'association H2O.
b. L'attraction d'un atome pour les électrons dans une liaison covalente est appelée électronégativité. L'atome d'oxygène est plus électronégatif que l'atome d'hydrogène.
c. L'oxygène dans la molécule d'eau, plus attiré par la paire d'électrons, assume une petite charge négative

E. Liaison hydrogène
1. Une liaison hydrogène est une force d'attraction faible entre un atome d'hydrogène légèrement positif d'une molécule et un atome légèrement négatif d'une autre ou de la même molécule.
2. De nombreuses liaisons hydrogène prises ensemble sont relativement fortes.
3. Les liaisons hydrogène entre les molécules complexes des cellules aident à maintenir la structure et la fonction.


Conférence 2 : Biochimie 1

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Sujets couverts: Biochimie 1

Instructeurs : Pr Robert A. Weinberg

Conférence 10 : Biolo Moléculaire.

Conférence 11 : Biolo moléculaire.

Conférence 12 : Biolo moléculaire.

Conférence 13 : Régulation des gènes

Conférence 14 : Protéine Localiz.

Conférence 15 : ADN recombinant 1

Conférence 16 : ADN recombinant 2

Conférence 17 : ADN recombinant 3

Conférence 18 : ADN recombinant 4

Leçon 19 : Cycle Cellulaire/Signe.

Conférence 26 : Système Nerveux 1

Conférence 27 : Système Nerveux 2

Conférence 28 : Système Nerveux 3

Conférence 29 : Cellules souches/Clon.

Conférence 30 : Cellules souches/Clon.

Conférence 31 : Médecine moléculaire.

Cours 32 : Evolu Moléculaire.

Conférence 33 : Médecine moléculaire.

Conférence 34 : Polymorphe humain.

Conférence 35 : Polymorphe humain.

D'ACCORD. Alors aujourd'hui, nous allons passer un peu de temps sur un peu de chimie élémentaire juste pour développer notre langage que nous utilisons les uns avec les autres. Et donc quand je dis liaison hydrogène, vous ne me regardez pas sans rien dire et vous ne vous grattez pas la tête. Beaucoup d'entre vous ont déjà eu ça.

Pour beaucoup d'entre vous, c'est une critique, mais c'est une critique utile.

Nous croyons ici au MIT d'enseigner des choses deux ou trois fois souvent, la même matière, mais à des niveaux de sophistication croissants.

Alors je le fais sans excuses. Notre premier problème ici est de savoir comment les atomes et les molécules sont-ils maintenus ensemble ? Et le moyen le plus familier par lequel les atomes et les molécules sont maintenus ensemble est, bien sûr, les liaisons covalentes. Et les liaisons covalentes ont une énergie d'environ 80 kilocalories par mole. Et c'est une énergie assez forte pour maintenir ensemble deux atomes parce que l'énergie, l'énergie thermique, c'est-à-dire l'énergie à, disons, la température du corps est d'environ 0,6 kilocalorie par mole. Et, par conséquent, si vous aviez un lien, s'il y avait quelque chose qui retenait les choses ensemble qui était dans cette plage ou deux, trois ou quatre fois plus élevé, alors la simple énergie thermique à température ambiante ou à température corporelle serait suffisante pour briser un tel lier. Mais, en fait, cette énergie, l'énergie d'une liaison covalente est tellement plus élevée qu'il est hautement improbable que l'énergie thermique brise une liaison covalente préexistante. Et je lisais hier comment les gens analysaient l'ADN mitochondrial de certains os de Néandertal qui ont été déterrés. Le dernier Néandertal a vécu il y a environ 30 000 ans, nos cousins ​​récemment décédés.

Et ils analysaient les séquences d'ADN. Et ils ont sorti de ces analyses des segments d'ADN de 200, 300 nucléotides de long.

Et c'est vraiment un témoignage étonnant du fait que dans des conditions très difficiles, néanmoins, des molécules biologiques complexes sont capables de survivre sur des périodes de temps étonnantes, en fait celles qui sont maintenues ensemble par des liaisons covalentes comme celle-ci.

Bien sûr, vous vous souvenez du film Jurassic Park où ils ont utilisé la réaction PCR pour ressusciter l'ADN des dinosaures. C'est un peu un fantasme depuis que les dinosaures nous ont quittés, je suppose, il y a environ 150 millions d'années, quelque chose comme ça. Il y a évidemment une grande différence entre 300 000 et 150 millions d'années.

Maintenant, le fait est que si vous regardez la façon dont les molécules sont réellement connectées, par exemple, regardons une molécule d'eau ici.

Idéalement, il ne devrait y avoir aucune charge sur cette molécule.

Et, en fait, il n'y a pas de frais nets. Mais la vérité est, si l'on veut être franc, que les molécules d'oxygène, et nous sommes toujours là, que les molécules d'oxygène ont une plus grande affinité pour les électrons que les atomes d'hydrogène, c'est-à-dire qu'elles sont électronégatives.

Et, par conséquent, cela signifie que les essaims d'électrons qui maintiennent tout cela ensemble au niveau des orbitales sont attirés plus étroitement par les atomes d'oxygène et d'hydrogène, c'est-à-dire que les protons sont relativement disposés à abandonner leurs électrons. Et cela signifie qu'il y a une distribution inégale. Et, par conséquent, il y a une fraction de charge négative ici à cette extrémité de la molécule et il y a des fractions de charges positives ici parce que ce n'est pas comme s'ils avaient totalement abandonné les électrons, mais les électrons sont plus décalés dans cette direction. Et cette molécule est donc appelée molécule polaire du fait qu'ici elle a un pôle positif et ici elle a un pôle négatif. Il existe d'autres paires de molécules qui sont relativement également électronégatives.

Par exemple, ici, si nous avons un carbone et un hydrogène, ces deux atomes sont à peu près égaux en termes de capacité à éloigner les électrons l'un de l'autre. Et, par conséquent, il n'y a pas de transfert net de charge.

Et gardez à l'esprit que ce delta que je montre ici n'est qu'une fraction d'une charge électronique. Ce n'est pas toute la charge électronique qui a été transférée. Mais cela a des conséquences importantes pour toute la biochimie dans laquelle nous sommes sur le point d'aborder aujourd'hui et lundi. Important car les molécules polaires, comme l'eau comme celle-ci, sont capables de dissoudre certains composés.

Et les molécules non polaires, qui ont de grands réseaux de ce type de liaisons ou de liaisons carbone-carbone, sont relativement insolubles dans l'eau, et cela a des conséquences importantes pour l'organisation des membranes biologiques. Nous pourrions avoir une liaison carbonyle ici, c'est-à-dire un C allant à un O via une double liaison. Et ici, nous avons, encore une fois, une situation où l'oxygène est beaucoup plus avide en termes de volonté et d'intérêt à attirer les électrons vers lui-même.

Et, par conséquent, le carbone cède un peu du nuage d'électrons et il devient légèrement électropositif.

Alors que l'atome d'oxygène devient légèrement électronégatif.

Or, le fait est qu'il existe aussi d'autres liaisons non covalentes et beaucoup moins énergétiques. Par exemple, parlons un instant d'une liaison hydrogène.

Et il est peut-être plus facile de démontrer une liaison hydrogène en examinant la structure de deux molécules d'eau voisines dans une solution d'eau de toutes choses. Et, le fait est que, disons que nous attirons une molécule d'eau ici et une molécule d'eau ici. Ce qui se passera, c'est que cet atome d'oxygène ici en vertu de son électronégativité aura une certaine affinité pour attirer cet atome d'hydrogène vers lui-même. Et, en fait, ce qui se passe réellement dans la vraie vie, quoi que ce soit au niveau moléculaire, c'est que cet atome d'hydrogène peut en fait rebondir entre ces deux oxygènes. Il peut s'agir rapidement d'un échange entre eux. Cet échange provoque une forte association entre deux molécules d'eau voisines. Et, en effet, représente la raison pour laquelle l'eau ne se vaporise pas à température ambiante car les molécules d'eau ont une forte affinité ou une avidité les unes pour les autres.

Et, par conséquent, juste pour retirer quelques illustrations du livre, c'est la façon dont c'est illustré dans le livre.

Probablement bon d'avoir un écran vers le bas. Et ici, vous pouvez voir la façon dont les molécules d'eau sont en fait disposées dans l'eau. C'est l'illustration du bas ici. Juste pour vous indiquer que les atomes d'hydrogène ne sont pas vraiment la possession, la propriété d'une molécule d'eau. Ils sont juste constamment échangés dans les deux sens. Et cet échange de va-et-vient, ce partage d'un atome d'hydrogène est ce qui permet à une liaison hydrogène d'environ 5 kilocalories d'énergie par mole de maintenir les choses ensemble.

5 kilocalories, ce n'est pas beaucoup. C'est seulement un ordre de grandeur au-dessus de 0,6 plutôt que d'être deux ordres de grandeur.

Et, par conséquent, si l'on élève la température au niveau de l'ébullition, si la température est suffisamment élevée, l'énergie thermique est suffisamment élevée pour déchirer ce genre d'associations.

Maintenant, si nous devions revenir ici pour regarder cet atome de carbonyle, nous trouverions le genre de situation suivante. Nous avons ici ce partage inégal des liaisons électropositives et électronégatives.

Mettons un groupe acide comme celui-ci. C'est un acide carboxylique ici. Ici, nous voyons une liaison carbone à un hydroxyle via cet atome d'oxygène. Ici, encore une fois, nous avons un atome électronégatif. Et, en fait, si nous parlons d'un acide ionisé, normalement en l'absence d'ionisation, il y aurait une charge nette nulle ici. Mais à pH neutre, il se peut bien que l'association, pour diverses raisons, entre cet oxygène et cet hydrogène permette à l'hydrogène, ou plutôt au proton, noyau de l'atome d'hydrogène de s'éloigner.

Et, par conséquent, nous pouvons imaginer qu'il pourrait y avoir une charge négative nette ici. Un tout, cela a un électron complet, une charge électronégative ici, la charge d'un électron, et ce proton se sera ionisé, aura quitté le groupe carboxylique dont il est originaire, et maintenant nous avons un groupe acide ionisé. Que ce soit avant ou même après cette ionisation, il existe une forte affinité du groupe carboxyle avec l'eau qui l'entoure car regardons ce qui s'est passé avant que l'ionisation ne se produise. Ce carbone est ici fort et électronégatif. Et, par conséquent, il participera à la liaison hydrogène au solvant aqueux ici, i.

., ce proton sera un peu partagé entre l'oxygène de la molécule d'eau et l'oxygène d'ici. De même, ici cet oxygène sera légèrement électronégatif pour les raisons que je viens de décrire.

Et ici, encore une fois, il peut y avoir de faibles liaisons hydrogène en cours.

Bien que, pas aussi efficace qu'ici où nous avons une double liaison où nous avons beaucoup de concentration d'un nuage d'électrons tiré vers l'atome d'oxygène. Et cela commence à nous donner des indices sur les raisons pour lesquelles certaines molécules sont solubles dans l'eau et d'autres insolubles.

Par exemple, si nous regardons les composés aliphatiques.

Regardons un composé qui est structuré comme ceci.

Je suppose que la plupart des gens appelleraient cela du pentane. Et nous pouvons aussi l'appeler ainsi. Et cela n'a pas d'électronégativité ou de positivité en raison des affinités égales de ces deux sortes d'atomes, c'est-à-dire l'hydrogène et les carbones pour les électrons. Et par conséquent, cela ne pourra pas former de liaisons hydrogène avec un solvant autour de lui si le solvant se trouve être de l'eau.

Il n'y a donc pas de bons liens ici. Et ça va, en fait, aussi si on met ça dans une solution d'eau, ça va faire aligner toutes les molécules d'eau d'une certaine manière, presque un quasi-cristal autour de la molécule aliphatique. Ils seront ordonnés dans une certaine couche autour de la molécule aliphatique sans pouvoir former avec eux de fortes liaisons hydrogène. Et cet ordre représente une perte de chaos, une perte d'entropie.L'entropie est le chaos. C'est le désordre.

C'est ce qui se passe, disons, à 10h55 quand nous quittons tous la salle, tout d'un coup l'ordre devient chaotique. Et ici, avant que cet alignement ne se produise, les molécules d'eau étaient disposées de manière chaotique dans tout le solvant. Après cet alignement, il y a eu une perte d'entropie, il y a eu une perte de chaos.

Et la thermodynamique nous dit que généralement l'ordre des molécules est défavorisé. Et par conséquent, nous avons maintenant deux raisons pour lesquelles cette molécule n'aime pas être au milieu de l'eau.

Tout d'abord, il est incapable de former des liaisons hydrogène avec le solvant.

Et deuxièmement, il y a une diminution de l'entropie, du chaos qui se produit lorsque cette molécule affronte directement l'eau.

Et à cause de ces deux raisons, il s'avère que cette molécule n'aime pas être dans l'eau. La molécule aliphatique, comme on appellerait cela en chimie organique, n'aime pas être dans l'eau. Et une aversion pour l'eau est souvent appelée son hydrophobie, ou nous l'appelons souvent hydro, autant l'épeler correctement, hydrophobe, c'est-à-dire qu'elle déteste vraiment être dans l'eau.

En fait, classe, il y a un deuxième sens pour l'hydrophobie, ou hydrophobe a un deuxième sens.

Tous les cinq ans, je demande à une classe de voir qui sait quel est le deuxième sens de l'hydrophobie. C'est vraiment obscur. Désolé?

La rage, c'est ça. Les TA ne sont pas autorisés à répondre à cela.

Si quelqu'un a la rage, à un stade de la rage, presque proche du stade terminal, l'individu devient hydrophobe parce qu'il n'aime pas boire de l'eau, pour des raisons qui me sont obscures du moins. Maintenant, à l'inverse, les molécules qui ont un groupe carboxyle seraient appelées hydrophiles.

Et, comme nous le verrons au cours de cette conférence et de la suivante, ces tendances hydrophobes et hydrophiles ont tendance à avoir de grands effets sur le comportement global des molécules. Imaginons, par exemple, une situation où nous avons une longue queue aliphatique comme celle-ci. En fait, ces queues peuvent persister dans certains composés aliphatiques. Ils peuvent durer jusqu'à 20 ou même 30 carbones. Et à la fin, mettons arbitrairement un groupe carboxyle. Et disons que nous l'avons ionisé.

Voici donc un groupe acide qui est ionisé. Il a perdu son proton.

Il a en fait acquis une charge négative. Et maintenant on a quelque chose, cette molécule est un peu schizoïde. Parce qu'à une extrémité de celui-ci, il aime être dans l'eau, l'autre extrémité déteste être dans l'eau.

Et cela a des effets forts. On l'appelle parfois amphipathique, mais nous n'avons pas à nous soucier de ce mot. Et, par conséquent, cette tête carboxyle adore enfoncer sa tête, plonger sa tête dans l'eau. Et ces choses, la partie aliphatique déteste être dans l'eau. Maintenant, en conséquence de ces sentiments plutôt conflictuels que ces molécules ont à propos de l'eau, nous pouvons nous poser la question que se passe-t-il lorsque nous mettons réellement de telles molécules dans l'eau ? Et ce que nous voyons ici est le suivant. Que si nous devions construire, par exemple, une molécule du genre qui a ici, dans ce cas, nous parlons d'une molécule qui a deux queues hydrophobes. Nous entrerons dans sa structure détaillée sous peu, mais imaginez un instant deux longues queues hydrophobes ici terminées par une tête hydrophile.

Et dans de telles situations, si nous mettons des milliers de ces ou des millions de ces molécules dans une solution d'eau, ce que nous verrons alors, c'est, aucun indicateur ? D'accord. Aiguille?

D'accord. Ce que nous verrons alors, c'est que les groupes de têtes hydrophiles, qui sont ici représentés en rouge, vont pointer vers l'extérieur, ils voudront mettre la tête dans l'eau.

Et inversement les queues hydrophobes fuyant l'eau vont en fait s'associer les unes aux autres. Et donc vous avez une structure qui s'appelle, dans ce cas, une micelle où vous formez cette petite sphère globulaire où les queues lipidiques sont nichées à l'intérieur.

Et, par conséquent, sont en fait protégés de toute exposition directe à l'eau. Cette structure ici-bas, la bicouche lipidique, est en fait, comme nous le verrons plus en détail sous peu, la topologie globale de la façon dont la plupart des membranes biologiques sont organisées.

En fait, pratiquement tous. Pourquoi donc? Parce que les membranes biologiques séparent deux espaces hydrophiles ou deux espaces aqueux.

Merci Monsieur. Vous êtes un gentleman. Voici donc un espace aqueux et voici un espace aqueux. Et comme on le voit les têtes hydrophiles sont immergées ou collent leurs têtes dans l'espace hydrophile.

C'est ce qu'on appelle une bicouche lipidique. Et, évidemment, il est très efficace pour séparément ces deux compartiments aqueux.

Dans les cellules eucaryotes, comme je l'ai mentionné la dernière fois, il y a une énorme prime placée sur la séparation et la ségrégation des différents compartiments aqueux qui est invariablement réalisée grâce au dispositif de construction de ces bicouches lipidiques. Voici une vésicule. Une vésicule est plus compliquée qu'une micelle. Parce que si vous regardez la membrane qui tapisse la vésicule, vous voyez qu'il s'agit en fait d'une bicouche lipidique, mais qui dans l'espace tridimensionnel est en fait une sphère. Et dans le cas de cette vésicule, on peut bien imaginer qu'à l'intérieur de la vésicule de l'eau est conservée, peut être stockée, et à l'extérieur de la vésicule de l'eau peut être stockée.

Et bon nombre des membranes que nous voyons dans les cytoplasmes eux-mêmes sont en fait construites sur ce type de conception.

Alors quand on dessine, par exemple, dans ce cas l'appareil de Golgi, dont je vous ai parlé en passant la dernière fois qu'on s'est rencontré, chacune de ces membranes ici, c'est évidemment dessiné en double trait, mais chaque fois que vous voyez une membrane indiquée, implicite dans ce dessin est le fait que chacune de ces membranes est en fait une bicouche. Il n'y a jamais de monocouches de lipides dans les cellules vivantes. Chacune de ces vésicules que vous voyez ici est en fait une bicouche lipidique avec un intérieur aqueux et, encore une fois, aqueux à l'extérieur. Encore une fois, une grande partie de la stabilité thermodynamique qui permet à ces vésicules de rester intactes plutôt que de simplement se diffuser est créée par ces forces hydrophiles et hydrophobes qui lient ces molécules ensemble ou les déchirent.

Or, en vérité, il existe encore d'autres sortes de forces qui régissent l'affinité des molécules entre elles. Par exemple, imaginons une situation où nous avons un groupe acide ionisé du type dont nous venons de parler. Maintenant, au fait, ici, disons que je vais tirer la charge négative sur l'un de ces deux oxygènes, si vous pouvez le voir. Mais la vérité est que les électrons grouillent d'avant en arrière, et donc la charge négative est partagée également, la charge négative d'un électron est partagée également entre ces deux atomes d'oxygène. Et c'est évidemment une zone de grande électronégativité. Indépendamment de cela, imaginons ici que nous avons un groupe basique, disons un groupe amine ici. Et, le fait est que les groupes amine, les groupes NH2, c'est ce qu'est une amine, voici un groupe amine. Il s'agit d'un groupe carboxylique.

Et le groupe amine, qui est très souvent utilisé en biochimie, a en fait une affinité. Il a un ensemble non apparié d'électrons sur l'azote, et donc il aime attirer des protons, ce qui le fait, le fait appeler basique.

Et cette attraction, le piégeage des protons, peut-être de l'eau, donnera évidemment à tout ce groupe ici une charge positive nette, une charge égale à la charge d'un proton. Ici encore, on peut imaginer qu'il s'agit d'hydrophile car ce groupe de charge peut encore une fois s'associer assez intimement avec le solvant aqueux.

Or, indépendamment de toute autre force qui pourrait exister ici, on pourrait en effet imaginer des situations où il y a partage d'un proton.

Et, par conséquent, une liaison hydrogène s'est formée entre ces deux. Indépendamment de cela est la simple interaction électrostatique de ces deux groupes. C'est l'attraction mutuelle des groupes positifs et négatifs, l'un vers l'autre. Et les interactions électrostatiques, vous ne pouvez pas quantifier exactement combien de kilocalories il y a par mole car la valeur énergétique de l'interaction électrostatique est égale à un sur r au carré où r est la distance entre ces deux groupes chargés. Et évidemment, plus vous êtes éloignés les uns des autres, plus l'attirance pour l'autre est faible. Il y a aussi ce qu'on appelle des interactions de van der Walls. Il s'agit en grande partie d'un intérêt pour une très petite communauté de biochimistes.

Vous ne le ferez probablement jamais, vous n'entendrez peut-être plus jamais ce terme de votre vie. Et les interactions de van der Waals viennent du fait que si nous devions avoir, par exemple, ici deux molécules qui ne sont normalement pas chargées, reparlons simplement de deux chaînes aliphatiques. Et je ne vais pas mettre tous les protons et tout, mais imaginez une situation comme celle-ci. Ce qui se passera, c'est qu'à cause des fluctuations des électrons, parce que les électrons nagent ici tout le temps, se déplaçant d'une zone à l'autre, ils ne sont jamais également répartis de manière homogène sur une longue période de temps, il y aura un bref exemple dans du temps, des microsecondes ou même des nanosecondes quand il se trouve qu'il y a plus d'électrons ici qu'ici.

Juste par hasard. Et cette zone de distribution inégale des électrons induira à son tour le type inverse de déplacement d'électrons dans une molécule voisine ici-bas.

Évidemment, selon la distance qui les sépare.

Mais le négatif ici repoussera les électrons ici.

Le positif ici attirera les électrons ici.

Et donc vous aurez ces deux arrangements quasi-polaires ici et ici, très éphémères, qui durent pendant une très courte période de temps transitoire. Mais, néanmoins, suffisante pour donner une interaction très faible entre ces deux molécules qui peut ne persister qu'une microseconde puis se dissiper car les charges se sont alors à nouveau redistribuées.

Et, en conséquence de cela, on a des interactions très faibles qui, dans le grand schéma des choses, ne jouent qu'un rôle très mineur dans l'énergie globale qui maintient les molécules ensemble. Maintenant, avec ce contexte à l'esprit, commençons à élaborer, sur la façon dont nous pouvons fabriquer des molécules qui ont des propriétés intéressantes qui leur permettent, entre autres, de participer à la construction de bicouches lipidiques, ce qui sera le premier objet de notre attentions aujourd'hui en termes de biochimie réelle.

Voici donc un acide gras. Nous le voyons ici. Je vous ai en effet dessiné la structure d'un acide gras ici déjà une fois auparavant. Et ce que nous pouvons voir, c'est qu'à travers une liaison connue sous le nom d'estérification, nous pouvons créer cette molécule. Alors qu'est-ce que je veux dire par estérification? Eh bien, dans ce cas, nous parlons d'une situation ici où nous avons un atome de carbone ici comme celui-ci avec un groupe hydroxyle. Vous le voyez ici. Et ce que nous faisons, c'est que nous déshydratons cela, nous retirons une molécule nette d'eau. Et chaque fois que nous faisons cela, à trois reprises, ce que nous finissons par faire est de créer au lieu de cela, c'est de créer un lien covalent entre ces deux.

Et donc le produit final de la déshydratation, de l'extraction d'une molécule nette d'eau, est que nous nous retrouvons avec une structure qui ressemble à ceci.

Et vous voyez cela se produire à au moins trois occasions différentes, ici, ici et ici. Eh bien, en fait, je devrais mettre un carbone ici.

Nous avons donc ici trois estérifications.

Le groupe hydroxyle dans chaque cas réagit avec un groupe carboxyle ici en tirant une eau, et chaque cas en créant ce qu'on appelle triacylglycercol ou triglycéride. Le triglycéride fait référence au fait que nous avons commencé ici avec un glycérol et que nous l'avons maintenant estérifié.

Or, en fait, il y a ici deux directions dans ce genre de réaction. L'estérification est le type de liaison que nous venons de montrer ici. Et la vérité est qu'un grand nombre de liaisons biochimiques sont établies par des réactions d'estérification et inversées par des réactions appelées simplement hydrolyse.

Et, dans ce cas, nous parlons du fait que si l'on réintroduisait une molécule d'eau dans chacune de ces trois liaisons, une, deux et trois, nous romprions la liaison et ferions revenir toute cette structure à les deux précurseurs qui existaient ou préexistaient avant ces trois réactions d'estérification.

Et à maintes reprises, vous verrez, au cours des prochaines semaines, que les réactions d'estérification sont importantes pour construire différents types de molécules. Maintenant, le fait est que nous pouvons faire d'autres types de modifications d'un glycérol comme celui-ci.

Voici ce que nous avons fait, au lieu d'ajouter un troisième acide gras, notez ce qui a été fait ici. Ici à travers une estérification, regardons celle-ci ici, au lieu d'ajouter un troisième acide gras, on a économisé, on a réservé un des trois groupes du glycérol.

Voici ce que nous avons vu juste avant. Nous avons conservé l'un des trois groupes du glycérol et mis à la place ce groupe phosphate très hydrophile, encore une fois par une réaction de déshydratation, une réaction d'estérification. Et maintenant, ce que nous avons fait, c'est ajouter l'insulte à la blessure car en l'absence de ce phosphate, il y aurait un hydroxyle ici qui est légèrement hydrophile. Mais maintenant, regardez à quel point c'est chargé. Voici deux charges négatives, un électron chacune. Et c'est déjà un peu électronégatif.

Nous avons donc ici une entité hydrophile extrêmement puissante.

Et ici le degré de schizophrénie entre une extrémité de la molécule et l'autre est grandement exagéré. Ici, en fait, c'est extrêmement hydrophile.

Et, en conséquence de cela, cela aime vraiment mettre la tête dans l'eau. Et quand on en parle donc, on dessine les images de différentes sortes de membranes, comme celle-ci que je vous ai montrée devant les deux queues. Ici, vous avez vu les deux queues que j'ai dessinées auparavant dans ce diagramme.

Voici à quoi nous pouvons imaginer qu'ils ressemblent réellement en termes moléculaires plus réels. Et les têtes hydrophiles qui collent dans l'eau, cela ne fait que répéter ce que nous avons vu auparavant, deviennent encore plus hydrophiles si nous regardons une molécule comme celle-ci.

Regardons cette chose ici. Voici une très longue queue hydrophobe.

Voici à nouveau les deux glycérols. Voici le phosphate.

Et gardez à l'esprit que le phosphate a évidemment ces oxygènes supplémentaires.

Le phosphate peut réagir avec plus d'un partenaire, le glycérol ici-bas. Dans ce cas, nous avons ajouté ce groupe ici. Et ce groupe ici est, encore une fois, il s'agit d'une sérine qui est un acide aminé, cela se trouve également être assez hydrophile. Voici notre vieil ami le groupe amino basique. Voici le groupe carboxyle. C'est un peu hydrophobe, CH2. Et puis nous avons encore une fois la tête hydrophile ici.

Et donc, on imagine, si on regarde ce qu'on appelle un modèle de remplissage d'espace, et un modèle de remplissage d'espace est vraiment destiné à nous montrer ce que l'on imagine si l'on avait cette vision, que nous n'avons pas, combien d'espace chacun de ces atomes occuperait réellement si l'on pouvait les voir.

Et ici, nous voyons ce modèle de remplissage d'espace. Cette molécule lipidique ici est en fait légèrement pliée avec sa tête hydrophile nichée dans l'espace d'eau. Et voici en fait à quoi ressemblent de nombreuses membranes biologiques en termes de construction.

Maintenant, le fait est que cela donne également à la cellule la capacité de séparer le contenu d'un côté ou de l'autre de la bicouche lipidique qu'elle a construite. Et ici, nous pouvons voir à propos de la semi-perméabilité, à quel point ces membranes sont perméables à différents types de molécules. La perméabilité désigne évidemment la capacité de cette membrane à obstruer ou à permettre la migration de molécules d'un côté à l'autre.

Les ions, et ces ions que nous voyons ici sont évidemment hautement hydrophiles en raison de leur charge. Cela explique, en fait, pourquoi, par exemple, le sel de table passe si facilement en solution, car il s'ionise facilement en sodium, NA et CL, qui sont ensuite avidement absorbés par les molécules d'eau.

Ce sont donc des ions hautement hydrophiles. Et la question est : peuvent-ils passer d'un côté de la membrane à l'autre ?

Et la réponse est absolument pas ou très improbable. Pourquoi?

Parce qu'elles sont si hautement hydrophiles, les molécules d'eau adorent se rassembler autour d'elles et former des liaisons hydrogène et des liaisons électrostatiques avec elles. Et si l'un de ces ions s'aventure ici, il passe d'une zone où il est chaleureusement embrassé par les molécules de solvant à une zone où ces molécules détestent intensément ces ions. Et, par conséquent, thermodynamiquement, l'entrée de l'un quelconque de ces ions dans la membrane, dans la partie hydrophobe de la membrane est fortement défavorisée, ce qui rend la membrane essentiellement, à toutes fins pratiques, imperméable. La même chose peut être dite du glucose qui se trouve être un glucide. Nous en reparlerons sous peu. Mais c'est aussi bien hydrophile. Il peut aussi aller dans l'eau. En fait, ça peut passer. Et c'est effectivement le cas, à ma connaissance, que l'on ne comprend pas vraiment à ce jour pourquoi les bicouches lipidiques sont raisonnablement perméables à l'eau.

Vous diriez, eh bien, l'eau ne devrait pas pouvoir passer. Il n'a clairement pas besoin d'avoir une charge nette positive ou négative, mais le physico-chimiste, si vous lui demandez pourquoi l'eau, pourquoi l'eau est-elle capable de traverser les bicouches lipidiques ? Ils diront, eh bien, nous avons travaillé là-dessus et nous vous aurons une réponse dans les cinq ou dix prochaines années. Et ils ont dit cela il y a 40 ans et il y a 30 ans, et ils le disent toujours. Et on ne comprend pas trop pourquoi l'eau passe, ce qui est gênant car c'est là une des propriétés biochimiques fondamentales de la matière vivante qui est mal connue. Les gaz peuvent passer à travers.

Et les acides aminés, l'ATP, le glucose 6 phosphate, très hydrophiles, ne peuvent pas non plus passer. Or, l'avantage de ceci est qu'une cellule peut accumuler de grandes concentrations de ces molécules soit à l'intérieur, soit qu'elle peut les pomper vers l'extérieur. En d'autres termes, il peut créer de grands gradients dans les concentrations de différents types d'ions. Par exemple, dans de nombreuses cellules, la concentration en calcium CA++ est mille fois plus élevée à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur de la cellule ce qui témoigne de l'imperméabilité de ces membranes lipidiques bicouches.

Le fait est que je truque un peu ici car dans les bicouches lipidiques de la membrane plasmique de la cellule, la membrane externe de la cellule dont nous avons parlé en passant la dernière fois, il y a des pompes à ions qui fonctionnent en permanence Le pompage des ions d'un côté à l'autre permet de surmonter le peu de fuite qui peut s'être produite si un ion calcium s'est infiltré dans un sens ou dans l'autre. Et nous finissons par dépenser beaucoup d'énergie pour maintenir ces gradients d'ions à des concentrations appropriées à l'extérieur et à l'intérieur. En fait, pratiquement toute l'énergie dépensée dans notre cerveau, la quasi-totalité est dépensée pour alimenter les pompes à ions qui assurent en permanence que les concentrations de certains ions à l'extérieur et à l'intérieur des neurones sont maintenues à leurs niveaux respectifs. .

Il se pourrait donc qu'en réalité plus de la moitié de notre charge métabolique chaque jour soit dépensée simplement en gardant les ions séparés à l'extérieur et à l'intérieur des cellules. Par exemple, le potassium est à des niveaux élevés à l'intérieur des cellules, le sodium est à des niveaux élevés à l'extérieur des cellules, juste pour citer quelques exemples arbitraires. Il y a aussi, d'ailleurs, comme je l'ai mentionné la dernière fois, des chaînes.

Et les canaux ne sont en fait que de petits objets en forme de beignet qui sont placés, insérés dans des bicouches lipidiques dans les membranes plasmiques et permettent juste la diffusion passive d'un ion à travers eux, à travers le trou de beignet permettant à un ion, donc si voici la bicouche lipidique, pas montrant ses deux choses, ces sortes d'agrégats de protéines en forme de beignet permettront le passage des ions dans une direction ou une autre. Et ici, l'énergie n'est pas dépensée pour permettre ce passage. Ce n'est peut-être que par diffusion.

S'il y a une concentration plus élevée d'ions du côté de la bicouche lipidique et une plus faible de ce côté, cette diffusion permettra à l'ion de migrer à travers l'alésage du canal ionique d'un côté à l'autre.

En fait, même si cela n'implique pas la dépense d'énergie de la part de la cellule, la cellule peut en fait utiliser un mécanisme de déclenchement pour ouvrir ou fermer ces canaux.

Lorsque les canaux sont fermés, les ions ne peuvent pas se déplacer.

Lorsque les canaux sont ouverts alors la diffusion peut prendre le relais et assurer le transfert, le transport des ions d'un côté à l'autre. Cela dit, nous pouvons maintenant commencer à examiner d'autres structures de niveau supérieur.

Voici d'ailleurs un meilleur dessin que celui que je vous ai fourni.

Cela vient de votre livre sur ce à quoi ressemble une vésicule.

Voici à quoi cela ressemble sous le microscope électronique et voici à quoi cela ressemble lorsqu'un artiste talentueux plutôt que malheureux et désespéré comme moi essaie de le dessiner. Alors disons simplement que c'est notre introduction aux lipides et aux membranes. Et passons à la prochaine couche de complexité. Et la prochaine couche de complexité en termes de molécules représente les glucides.

Et quand nous parlons d'un hydrate de carbone entre nous, nous parlons d'une molécule qui, grosso modo, a un atome de carbone pour chaque molécule d'eau. Et nous allons bientôt nous permettre de parler de toutes sortes de molécules glucidiques différentes.

Voici vraiment l'une des molécules glucidiques les plus importantes, le glucose. Et que faut-il noter à propos du glucose ?

Eh bien, la première chose que vous devriez voir est que le glucose a six atomes de carbone. Et, par conséquent, en conséquence, cela s'appelle un hexose. Nous allons parler des pentoses très prochainement. Ils n'en ont que cinq, pour affirmer l'évidence. Le glycérol, dont nous avons déjà parlé, est également considéré dans un sens comme un glucide, mais certains l'appellent triose.

Il n'a que trois atomes de carbone. Et vous pouvez donc imaginer en principe qu'il existe effectivement certains mécanismes biochimiques qui permettent de joindre deux molécules de glycérol, l'une à l'autre, pour créer quelque chose comme un hexose, le glucose.

En fait, ce que l'on voit sur ce dessin, savamment dessiné par votre serviteur, c'est que la molécule d'hexose n'est pas vraiment une molécule linéaire en solution. Ce qui se passe, c'est qu'en raison de diverses forces stériques et thermodynamiques, il aime se cycliser. Alors laissez-moi juste mentionner, je viens d'utiliser deux mots qu'il est utile de connaître.

Stérique ou stéréochimie fait référence à la structure tridimensionnelle d'une molécule. Et, évidemment, la stéréochimie d'une molécule est dictée par la flexibilité avec laquelle les atomes participants peuvent former des liaisons, que nous ayons un atome trivalent comme l'azote ou un atome tétravalent comme le carbone ou un atome monovalent comme l'hydrogène. Et ces structures, la stéréochimie est dictée à la fois par les atomes présents ici et par des considérations thermodynamiques qui provoquent la cyclisation de cet hexose particulier, en fait pratiquement tous les hexoses. Quand je dis cycliser, je veux évidemment dire former une structure circulaire. Ici, nous notons une chose.

Vous pouvez voir comment l'hydroxyle ici attaque réellement le carbone chargé positivement ici afin de former cette structure cyclique.

Vous voyez que l'un des six points de cette structure hexagonale est l'oxygène. Ce n'est pas du tout du carbone. Il y a donc un oxygène et cinq carbones. Et l'un des charbons est relégué, est exilé à l'extérieur du cercle. On l'appelle parfois un extracyclique parce qu'il sort du cercle réel. Et c'est la structure dans laquelle le glucose existe réellement à l'intérieur des cellules. Et, en fait, il y a, en vérité, deux manières alternatives par lesquelles le glucose peut se cycliser, que l'oxygène attaque le carbone sur le groupe carbonyle en dessous ou sur le dessus.

Et vous voyez que cela nous donne deux structures alternatives.

Qu'est-ce qui est différent chez eux ? Eh bien, si nous pensons à cet hexose comme existant dans un plan, ou l'hexagone est dans un plan Dans ce cas, l'oxygène est au-dessus du plan et l'hydrogène est au-dessous du plan. Avec une probabilité égale, vous pouvez inverser ces deux atomes où l'hydrogène est maintenant au-dessus du plan et l'hydroxyle est au-dessous du plan. Et ces deux structures, ces structures alternatives peuvent être considérées à juste titre comme du glucose. Maintenant, soyons un peu plus compliqués. Ici, nous avons du fructose et nous avons du galactose.

Et ce que nous voyons ici, en passant, c'est que nous avons exactement le même nombre d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène et d'atomes d'oxygène, mais ils sont reliés légèrement différemment. Et maintenant, nous commençons à être très pointilleux sur la disposition, l'orientation de ces différents types d'hydroxyles et d'hydrogènes.

Et notez, en passant, ici que dans de nombreux cas, on ne met même pas le H pour l'hydrogène. C'est juste implicite à la fin de cette ligne. Et ici, si vous deviez regarder cela, vous verrez ici maintenant que nous avons deux carbones cycliques supplémentaires.

Voici le galactose qui est encore un autre hexose.

Ce sont tous des hexoses, mais leur stéréochimie crée des types de structures assez différents. Et il s'avère que cette stéréochimie est extrêmement importante. Ces molécules fonctionnent très différemment les unes des autres.

Et, par exemple, dans la mesure où le glucose est utilisé dans différents types de métabolisme énergétique et dans la mesure où le galactose ne l'est pas, il doit y avoir certains mécanismes biochimiques dans lesquels on a des catalyseurs, les catalyseurs que nous appelons enzymes qui assurent que l'on peut convertir l'un de ces hexoses via une enzyme en, disons, un moins utile en un plus utile, le glucose, qui peut facilement être brûlé par la machinerie génératrice d'énergie. Ici, nous sommes passés d'un autre ordre de grandeur plus complexe car nous sommes passés d'un monosaccharide, c'est-à-dire l'un ou l'autre des hexoses, à un disaccharide. Et voici le sucre de table commun.

Et là, vous voyez qu'il se forme à nouveau par une réaction d'estérification, c'est-à-dire qu'il y a une réaction de déshydratation entre cet hydroxyle ici et cet hydroxyle ici.

Et les biochimistes prennent très au sérieux l'orientation de ces groupes hydroxyle et hydrogène. Maintenant, vous pouvez dire qu'ils sont un peu obsessionnels. En effet, ils le sont probablement.

Mais, néanmoins, nous pouvons admettre que les orientations spécifiques de toutes ces choses dictent de manière très importante la différence entre ici, dans ce cas le saccharose, et dans ce cas le lactose. Pourquoi est-ce important? Eh bien, c'est le sucre dans le sucre du lait. C'est le sucre dominant dans le sucre du lait, le lactose. Et la moitié du monde, en tant qu'adultes, ne peut pas absorber cela.

Toutes sortes de choses désagréables se produisent lorsqu'ils boivent du lait. Combien de personnes ici sont intolérantes au lactose ? Il n'y a pas de quoi avoir honte. Je suis mariée à une personne très intolérante au lactose. Elle est sinon très gentille.

Le fait est que l'enzyme qui décompose le lactose, c'est une enzyme qui s'appelle lactase. Et ici, nous avons encore un autre élément de nomenclature. La lactase est donc l'enzyme qui décompose le lactose. Et, en passant, ce n'est que le signe avant-coureur de nombreuses autres enzymes dont nous allons parler à l'avenir qui se terminent par A-S-E. Alors que les glucides, beaucoup d'entre eux se terminent par O-S-E, comme vous l'avez déjà ressenti.

Il s'avère donc que l'enzyme lactase est fabriquée en grande quantité par la plupart des mammifères très tôt dans la vie. Pourquoi? Pour pouvoir décomposer le sucre du lait contenu dans le lait maternel.

Mais une fois les mammifères sevrés, il n'y a aucune raison pour qu'ils continuent à fabriquer de la lactase, dans leur estomac par exemple.

Et, par conséquent, chez la plupart des mammifères, la production de lactase est arrêtée plus tard dans la vie. Et pour une bizarrerie étrange de l'histoire humaine, une proportion importante de l'humanité a appris à conserver la capacité de fabriquer du lactose à l'âge adulte. Et, par conséquent, les gens peuvent aller manger des glaces jusqu'à l'âge de 70, 80 ou 90 ans sans être trop gonflés. Et nous n'avons pas besoin d'entrer dans tous les détails, mais vous pouvez commencer à imaginer. Et ce qui se passe, c'est donc que l'enzyme lactase est arrêtée dans leur estomac.

Ça dépend. Parfois, ils le perdent à l'âge de 10, 15 ou 20 ans.

Et puis, pour le reste de leur vie, chaque fois qu'ils ont un produit contenant du lait, en fait, mon fils est également intolérant au lactose. Je suis entouré de ces gens. Encore une fois, il est par ailleurs une personne tolérante mais il est intolérant au lactose.

Donc cette molécule de lactose ira dans l'estomac, elle restera non digérée, elle restera un disaccharide au lieu d'être clivée en deux monosaccharides.

Les deux monosaccharides ne posent aucun problème car ils peuvent être facilement interconvertis. Le galactose peut être facilement converti en glucose, et le glucose est la monnaie universelle de l'énergie des glucides. Et ainsi, ce disaccharide traverse l'estomac sans altération et pénètre dans les intestins, dans l'intestin grêle et le gros intestin.

Et il s'avère que nous avons plus de cellules bactériennes dans notre intestin que nous n'avons nos propres cellules dans le reste du corps. Imagine ça.

Et il y a beaucoup de bactéries qui attendent dans l'intestin juste une petite gorgée de lactose. Et ils ne l'obtiennent jamais parce que la plupart des gens décomposent leur lactose bien avant qu'il ne pénètre dans l'intestin.

Mais ici, nous avons ces personnes intolérantes au lactose.

Le disaccharide pénètre dans l'intestin et les bactéries vont en ville.

Ils attendent depuis des années, des décennies un peu de lactose. Et maintenant, il arrive enfin et ils vont en ville, ils commencent à le métaboliser et ils fermentent et ils produisent beaucoup de gaz et d'autres types de sous-produits. Et, par conséquent, cela rend les gens très mal à l'aise. Juste pour vous montrer, maintenant, le fait est que les personnes intolérantes au lactose peuvent parfaitement décomposer le saccharose, évidemment. C'est l'une des grandes sources d'énergie des plantes. Mais ils ne peuvent pas décomposer cela.

Et j'insiste sur ce point pour indiquer que les différences stéréochimiques entre les différents types de glucides font une différence très importante. Une enzyme comme la sucrase décomposera le saccharose mais elle ne touchera pas au lactose.

Il y a donc un degré élevé de stéréospécificité comme on l'appelle dans le métier. Ici, nous passons maintenant à un autre pas en avant que nous allons poursuivre plus en détail la prochaine fois.

Car ici, pour la première fois, on parle de polymérisation. Nous fabriquons des polymères. Là où le grand nombre de groupes hydroxyle sur ces monosaccharides offre de nombreuses opportunités de fabriquer de très longs agrégats linéaires bout à bout comme celui-ci ou même des branches latérales. Si vous imaginez que chacun de ces hydroxyles, en principe, représente un site d'estérification possible, c'est-à-dire la formation d'une liaison à une chaîne latérale voisine.

Ici, nous voyons ces deux chaînes linéaires et ici nous voyons la branche qui est offerte, ce qui est rendu possible par la disponibilité de ces chaînes latérales hydroxyles inutilisées qui n'attendent que pour participer, si l'occasion le leur permet, à une sorte de réaction d'estérification pour former une liaison covalente. Voici, en passant, le glycogène, qui est la façon dont nous stockons beaucoup de sucre dans notre foie.

Voici un amidon, qui est ce que nous obtenons de nombreuses plantes. Et voici un autre polysaccharide très intéressant.

C'est ce qu'on appelle la cellulose. Et nous ne pouvons pas digérer la cellulose, mais les termites le peuvent. Et pourquoi ils le peuvent est quelque chose que nous devrons attendre la prochaine fois pour en savoir plus. Passe un bon weekend. À lundi.


Tissus, organes, systèmes d'organes et organismes

Les organismes unicellulaires (unicellulaires) peuvent fonctionner indépendamment, mais les cellules des organismes multicellulaires dépendent les unes des autres et sont organisées en cinq niveaux différents afin de coordonner leurs fonctions spécifiques et d'effectuer tous les processus biologiques de la vie (voir Figure 2.3 &# 8220Organisation de la vie”.

  • Les cellules sont l'unité structurelle et fonctionnelle de base de toute vie. Les exemples incluent les globules rouges et les cellules nerveuses. Il existe des centaines de types de cellules. Toutes les cellules d'une personne contiennent la même information génétique dans l'ADN. Cependant, chaque cellule n'exprime que les codes génétiques liés à la structure et à la fonction spécifiques de la cellule. sont des groupes de cellules qui partagent une structure et une fonction communes et travaillent ensemble. Il existe quatre types fondamentaux de tissus humains : les tissus conjonctifs, qui relient les tissus épithéliaux, qui tapissent et protègent les organes, les muscles, qui se contractent pour le mouvement et le soutien et les nerfs, qui répondent et réagissent aux signaux de l'environnement.
  • Les organes sont un groupe de tissus disposés de manière spécifique pour soutenir une fonction physiologique commune. Les exemples incluent le cerveau, le foie et le cœur.
  • Les systèmes organiques sont deux ou plusieurs organes qui soutiennent une fonction physiologique spécifique. Les exemples incluent le système digestif et le système nerveux central. Il existe onze systèmes d'organes dans le corps humain (voir Tableau 2.1 « Les onze systèmes d'organes du corps humain et leurs principales fonctions »).
  • Un organisme est le système vivant complet capable de mener tous les processus biologiques de la vie.

Figure 2.3 Organisation de la vie

“Niveaux d'organisation du corps humain” par Laia Martinez / CC BY-SA 4.0

Tableau 2.1 Les onze systèmes organiques du corps humain et leurs principales fonctions

Système d'organes Composants d'organes Fonction principale
Cardiovasculaire cœur, vaisseaux sanguins/lymphatiques, sang, lymphe Transporter les nutriments et les déchets
Digestif bouche, œsophage, estomac, intestins Digestion et absorption
Endocrine toutes les glandes (thyroïde, ovaires, pancréas) Produire et libérer des hormones
Immunitaire globules blancs, tissu lymphatique, moelle Se défendre contre les envahisseurs étrangers
Tégumentaire peau, ongles, cheveux, glandes sudoripares Protection, régulation de la température corporelle
Musclé muscle squelettique, lisse et cardiaque Mouvement du corps
Nerveux cerveau, moelle épinière, nerfs Interprète et répond aux stimuli
Reproducteur gonades, organes génitaux Reproduction et caractères sexuels
Respiratoire poumons, nez, bouche, gorge, trachée Échange de gaz
Squelettique os, tendons, ligaments, articulations Structure et accompagnement
Urinaire reins, vessie, uretères Excrétion des déchets, bilan hydrique

Comment la fumée de tabac provoque la maladie : la base biologique et comportementale des maladies attribuables au tabagisme : un rapport du Surgeon General.

Ce chapitre résume l'état des connaissances sur la chimie et la toxicologie de la fumée de cigarette et fournit des données pertinentes pour les évaluations et les conclusions présentées dans les chapitres spécifiques aux maladies de ce rapport. La littérature examinée dans ce chapitre se limite aux cigarettes manufacturées et n'inclut pas les publications sur les cigarettes faites à la main (roulez vos propres cigarettes) ou d'autres produits contenant de la nicotine. La section suivante, 𠇌himie,” comprend une brève description des technologies utilisées par les fabricants de cigarettes dans un nombre limité de marques de cigarettes commercialisées sous le nom de ȁproduits à exposition réduite” ou “lower-yield”. Ces produits commerciaux n'ont pas été largement acceptés par les consommateurs. La section suivante, 𠇋iomarkers,” se concentre sur la cigarette fabriquée à base de tabac consommée par la majorité des fumeurs aux États-Unis et ailleurs.

La section sur la 𠇌himie” décrit les composants chimiques de la fumée de cigarette et aborde les aspects de la conception du produit qui modifient les composants de la fumée de cigarette et les facteurs affectant la livraison de la fumée au fumeur. Dans la plupart des cas, les données rapportées pour les niveaux chimiques dans la fumée principale ont été dérivées dans des conditions de fumage standard décrites par la Federal Trade Commission (FTC) des États-Unis et l'Organisation internationale de normalisation (ISO). Ces conditions standard sont un volume de bouffée de 35 millilitres (mL), une durée de bouffée de deux secondes, une fréquence de bouffée d'une minute et une longueur de mégot définie soit à 23 millimètres (mm) pour les cigarettes sans filtre, soit à la longueur du papier de suremballage du filtre plus 3 mm . Lorsque des régimes de tabagisme alternatifs sont utilisés, les niveaux de substances potentiellement nocives dans les émissions de fumée diffèrent généralement de ceux mesurés dans des conditions standard. (Pour plus de détails, voir “Livraison de constituants chimiques dans la fumée de tabac” plus loin dans ce chapitre.) Lorsque les gens fument, ils n'utilisent pas le volume et la fréquence des bouffées programmés dans les machines à fumer, et les habitudes de tabagisme varient considérablement d'une personne à l'autre. personne et cigarette à cigarette. Par conséquent, les expositions réelles et les doses des composants de la fumée ne peuvent pas être déduites des valeurs obtenues avec le tabagisme à la machine.

La section sur les 𠇋iomarqueurs” offre un aperçu des données in vitro et in vivo sur la génotoxicité et la cytotoxicité et une revue de la littérature sur les essais biologiques chez l'animal, en plus des concepts généraux de biomarqueurs d'exposition, de dose biologiquement efficace et de potentiel dommage, comme introduction aux descriptions plus détaillées des biomarqueurs dans les chapitres suivants de ce rapport du Surgeon General.

La fumée de cigarette est un mélange complexe de composés chimiques liés aux particules d'aérosol ou libres en phase gazeuse. Les composés chimiques du tabac peuvent être distillés en fumée ou peuvent réagir pour former d'autres constituants qui sont ensuite distillés en fumée. Les chercheurs ont estimé que la fumée de cigarette contient 7 357 composés chimiques appartenant à de nombreuses classes différentes (Rodgman et Perfetti 2009). En évaluant la nature de la fumée de tabac, les scientifiques doivent tenir compte de la composition chimique, des concentrations des composants, de la taille des particules et de la charge des particules (Dube et Green 1982). Ces caractéristiques varient selon la conception de la cigarette et la nature chimique du produit.

Fowles et Dybing (2003) ont suggéré une approche pour identifier les composants chimiques de la fumée de tabac ayant le plus grand potentiel d'effets toxiques. Ils ont pris en compte le risque de cancer, de maladies cardiovasculaires et de maladies cardiaques. En utilisant cette approche, ces chercheurs ont découvert que le 1,3-butadiène présentait de loin le risque de cancer le plus important, l'acroléine et l'acétaldéhyde avaient le plus grand potentiel d'irritation respiratoire et le cyanure, l'arsenic et les crésols étaient les principales sources de risque cardiovasculaire. Les autres classes chimiques préoccupantes comprennent d'autres métaux, N-nitrosamines et hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Cette évaluation, ainsi que la liste Hoffmann des produits chimiques biologiquement actifs (Hoffmann et Hoffmann 1998), a été utilisée pour sélectionner les produits chimiques examinés dans ce chapitre. D'autres composants chimiques potentiellement nocifs seront identifiés à mesure que l'analyse de la fumée de tabac deviendra plus complète et que la conception des cigarettes et les additifs changeront.


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