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14.1 : Réactions lumineuses - Biologie

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14.1 : Réactions lumineuses

Réaction de Hill

Les réaction de Hill est le transfert d'électrons entraîné par la lumière de l'eau vers les réactifs de Hill (oxydants non physiologiques) dans une direction opposée au gradient de potentiel chimique dans le cadre de la photosynthèse. Robin Hill a découvert la réaction en 1937. Il a démontré que le processus par lequel les plantes produisent de l'oxygène est distinct du processus qui convertit le dioxyde de carbone en sucres.


Photopériodisme

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

Photopériodisme, la réponse fonctionnelle ou comportementale d'un organisme aux changements de durée des cycles quotidiens, saisonniers ou annuels de lumière et d'obscurité. Les réactions photopériodiques peuvent être raisonnablement prédites, mais la température, la nutrition et d'autres facteurs environnementaux modifient également la réponse d'un organisme.

Chez les animaux, les activités régulières de migration, de reproduction et de changement de pelage ou de plumage peuvent être induites hors saison en modifiant artificiellement la lumière du jour. Les oiseaux, par exemple, ont migré vers le nord en hiver après avoir été exposés à un éclairage saisonnier inversé dans les laboratoires. La manipulation d'une période d'obscurité stimulante spécifique, requise par chaque espèce pour chaque phase du processus migratoire, est un facteur important du photopériodisme.


Contenu

En chimie, de nombreuses réactions dépendent de l'absorption de photons pour fournir l'énergie nécessaire pour surmonter la barrière d'énergie d'activation et peuvent donc être marquées dépendant de la lumière. Ces réactions vont des réactions aux halogénures d'argent utilisées dans les films photographiques à la création et à la destruction d'ozone dans la haute atmosphère. Cet article traite d'un sous-ensemble spécifique de ceux-ci, la série de réactions dépendantes de la lumière liées à la photosynthèse dans les organismes vivants.

Le centre de réaction se trouve dans la membrane thylacoïdienne. Il transfère l'énergie lumineuse à un dimère de molécules de pigment de chlorophylle près du côté périplasmique (ou lumière thylakoïde) de la membrane. Ce dimère est appelé une paire spéciale en raison de son rôle fondamental dans la photosynthèse. Cette paire spéciale est légèrement différente dans les centres de réaction PSI et PSII. Dans le PSII, il absorbe des photons d'une longueur d'onde de 680 nm, il s'appelle donc P680. En PSI, il absorbe des photons à 700 nm, et il s'appelle P700. Chez les bactéries, la paire spéciale est appelée P760, P840, P870 ou P960. "P" signifie ici pigment, et le nombre qui le suit est la longueur d'onde de la lumière absorbée.

Si un électron de la paire spéciale dans le centre de réaction devient excité, il ne peut pas transférer cette énergie à un autre pigment en utilisant le transfert d'énergie de résonance. Dans des circonstances normales, l'électron devrait revenir à l'état fondamental, mais, comme le centre de réaction est disposé de sorte qu'un accepteur d'électrons approprié se trouve à proximité, l'électron excité peut se déplacer de la molécule initiale à l'accepteur. Ce processus entraîne la formation d'une charge positive sur la paire spéciale (due à la perte d'un électron) et d'une charge négative sur l'accepteur et est donc appelé séparation de charge photoinduite. En d'autres termes, les électrons des molécules de pigment peuvent exister à des niveaux d'énergie spécifiques. Dans des circonstances normales, ils existent au niveau d'énergie le plus bas possible. Cependant, s'il y a suffisamment d'énergie pour les faire passer au niveau d'énergie suivant, ils peuvent absorber cette énergie et occuper ce niveau d'énergie plus élevé. La lumière qu'ils absorbent contient la quantité d'énergie nécessaire pour les pousser au niveau suivant. Toute lumière qui n'a pas assez ou a trop d'énergie ne peut pas être absorbée et est réfléchie. L'électron dans le niveau d'énergie supérieur, cependant, ne veut pas être là, l'électron est instable et doit revenir à son niveau d'énergie inférieur normal. Pour ce faire, il doit libérer l'énergie qui l'a mis dans l'état d'énergie supérieur pour commencer. Cela peut se produire de différentes manières. L'énergie supplémentaire peut être convertie en mouvement moléculaire et perdue sous forme de chaleur. Une partie de l'énergie supplémentaire peut être perdue sous forme d'énergie thermique, tandis que le reste est perdu sous forme de lumière. (Cette réémission d'énergie lumineuse est appelée fluorescence.) L'énergie, mais pas le e- lui-même, peut être transmise à une autre molécule. (C'est ce qu'on appelle la résonance.) L'énergie et le e- peuvent être transférés à une autre molécule. Les pigments végétaux utilisent généralement les deux dernières de ces réactions pour convertir l'énergie du soleil en leur propre énergie.

Cette séparation de charge initiale se produit en moins de 10 picosecondes (10 -11 secondes). Dans leurs états de haute énergie, le pigment spécial et l'accepteur pourraient subir une recombinaison de charge, c'est-à-dire que l'électron sur l'accepteur pourrait reculer pour neutraliser la charge positive sur la paire spéciale. Son retour à la paire spéciale gaspillerait un précieux électron à haute énergie et convertirait simplement l'énergie lumineuse absorbée en chaleur. Dans le cas du PSII, ce reflux d'électrons peut produire des espèces réactives de l'oxygène conduisant à une photoinhibition. [1] [2] Trois facteurs dans la structure du centre de réaction travaillent ensemble pour supprimer presque complètement la recombinaison de charge.

  • Un autre accepteur d'électrons est à moins de 10 du premier accepteur, et donc l'électron est rapidement transféré plus loin de la paire spéciale.
  • Un donneur d'électrons est à moins de 10 de la paire spéciale, et donc la charge positive est neutralisée par le transfert d'un autre électron
  • Le transfert d'électrons de l'accepteur d'électrons à la paire spéciale chargée positivement est particulièrement lent. La vitesse d'une réaction de transfert d'électrons augmente avec sa favorabilité thermodynamique jusqu'à un certain point, puis diminue. Le rétrotransfert est si favorable qu'il a lieu dans la région inversée où les taux de transfert d'électrons deviennent plus lents. [1]

Ainsi, le transfert d'électrons se déroule efficacement du premier accepteur d'électrons au suivant, créant une chaîne de transport d'électrons qui se termine si elle a atteint le NADPH.

Le processus de photosynthèse dans les chloroplastes commence lorsqu'un électron de P680 de PSII atteint un niveau d'énergie plus élevé. Cette énergie est utilisée pour réduire une chaîne d'accepteurs d'électrons qui ont par la suite abaissé les potentiels redox. Cette chaîne d'accepteurs d'électrons est connue sous le nom de chaîne de transport d'électrons. Lorsque cette chaîne atteint PS I, un électron est à nouveau excité, créant un potentiel redox élevé. La chaîne de transport d'électrons de la photosynthèse est souvent présentée dans un diagramme appelé schéma z, car le diagramme redox de P680 à P700 ressemble à la lettre Z. [3]

Le produit final du PSII est le plastoquinol, un porteur d'électrons mobile dans la membrane. Le plastoquinol transfère l'électron du PSII à la pompe à protons, le cytochrome b6f. Le donneur d'électrons ultime du PSII est l'eau. Cytochrome b6f fait passer la chaîne d'électrons au PSI à travers les molécules de plastocyanine. Le PSI est capable de poursuivre le transfert d'électrons de deux manières différentes. Il peut transférer les électrons soit au plastoquinol, créant un flux d'électrons cyclique, soit à une enzyme appelée FNR (Ferredoxin—NADP(+) réductase), créant un flux d'électrons non cyclique. Le PSI libère du FNR dans le stroma, où il réduit le NADP +
à NADPH.

Activités de la chaîne de transport d'électrons, en particulier du cytochrome b6F, conduisent au pompage de protons du stroma vers la lumière. Le gradient de protons transmembranaire résultant est utilisé pour fabriquer de l'ATP via l'ATP synthase.

Le processus global de la chaîne de transport d'électrons photosynthétique dans les chloroplastes est le suivant :

H
2 O → PS II → plastoquinone → cyt b6F → plastocyanine → PS I → NADPH

Photosystème II Modifier

PS II est extrêmement complexe, une structure transmembranaire hautement organisée qui contient un complexe de séparation d'eau, chlorophylles et pigments caroténoïdes, un centre de réaction (P680), de la phéophytine (un pigment similaire à la chlorophylle) et de deux quinones. Il utilise l'énergie de la lumière du soleil pour transférer des électrons de l'eau à un porteur d'électrons mobile dans la membrane appelé plastoquinone:

H
2 O
P680P680 *plastoquinone

La plastoquinone, à son tour, transfère des électrons à cyt b6F, qui les alimente dans PS I.

Le complexe d'éclatement de l'eau Modifier

La marche H
2 O → P680
est réalisée par une structure mal comprise intégrée au PS II appelée le complexe de séparation d'eau ou la complexe dégageant de l'oxygène. Il catalyse une réaction qui divise l'eau en électrons, protons et oxygène :

2 heures
2 O
4H+ + 4e - + O
2

Les étapes réelles de la réaction ci-dessus se déroulent de la manière suivante (diagramme des états S de Dolai) : (I) 2 H
2 O (monoxyde) (II) OH. H
2 O (hydroxyde) (III) H
2 O
2 (peroxyde) (IV) HO
2 (super oxyde)(V) O
2 (di-oxygène). [ citation requise ] (Mécanisme de Dolai)

Les électrons sont transférés à des molécules de chlorophylle spéciales (intégrées dans PS II) qui sont promues à un état d'énergie supérieure par l'énergie des photons.

Le centre de réaction Modifier

L'excitation P680 → P680 * du pigment du centre de réaction P680 se produit ici. Ces molécules de chlorophylle spéciales intégrées dans PS II absorbent l'énergie des photons, avec une absorption maximale à 680 nm. Les électrons contenus dans ces molécules sont promus à un état d'énergie plus élevée. C'est l'un des deux processus essentiels de la photosynthèse, et il se produit avec une efficacité étonnante (supérieure à 90 %) car, en plus de l'excitation directe par la lumière à 680 nm, l'énergie de la lumière d'abord récoltée par protéines d'antenne à d'autres longueurs d'onde dans le système de récolte de lumière est également transférée à ces molécules de chlorophylle spéciales.

Ceci est suivi de l'étape P680 * → phéophytine, puis à plastoquinone, qui se produit dans le centre réactionnel de PS II. Des électrons de haute énergie sont transférés à la plastoquinone avant qu'elle ne capte ensuite deux protons pour devenir du plastoquinol. Le plastoquinol est ensuite libéré dans la membrane en tant que porteur d'électrons mobile.

C'est le deuxième processus central de la photosynthèse. Les premières étapes se déroulent dans picosecondes, avec une efficacité de 100 %. L'efficacité apparemment impossible est due au positionnement précis des molécules au sein du centre de réaction. Il s'agit d'un processus à l'état solide et non d'une réaction chimique. Il se produit dans un environnement essentiellement cristallin créé par la structure macromoléculaire de PS II. Les règles habituelles de la chimie (qui impliquent des collisions aléatoires et des distributions d'énergie aléatoires) ne s'appliquent pas dans les environnements à l'état solide.

Lien entre le complexe de séparation de l'eau et l'excitation de la chlorophylle Modifier

Lorsque la chlorophylle passe l'électron à la phéophytine, elle obtient un électron de P680 * . À son tour, P680 * peut oxyder le Z (ou YZ) molécule. Une fois oxydée, la molécule Z peut dériver des électrons du complexe dégageant de l'oxygène (OEC). [4] Les diagrammes d'état S de Dolai montrent les réactions de la division de l'eau dans le complexe évoluant de l'oxygène.

Résumé Modifier

PS II est une structure transmembranaire présente dans tous les chloroplastes. Il divise l'eau en électrons, protons et oxygène moléculaire. Les électrons sont transférés à la plastoquinone, qui les transporte vers une pompe à protons. L'oxygène moléculaire est libéré dans l'atmosphère.

L'émergence d'une structure aussi incroyablement complexe, une macromolécule qui convertit l'énergie de la lumière du soleil en un travail potentiellement utile avec des efficacités impossibles dans l'expérience ordinaire, semble presque magique à première vue. Ainsi, il est d'un intérêt considérable que, par essence, la même structure se retrouve dans les bactéries violettes.

Cytochrome b6F Éditer

PS II et PS I sont reliés par une pompe à protons transmembranaire, cytochrome b6F complexe (plastoquinol-plastocyanine réductase EC 1.10.99.1). Les électrons de PS II sont transportés par le plastoquinol à cyt b6F, où ils sont éliminés par étapes (reformant la plastoquinone) et transférés à un porteur d'électrons soluble dans l'eau appelé plastocyanine. Ce processus redox est couplé au pompage de quatre protons à travers la membrane. Le gradient de protons résultant (ainsi que le gradient de protons produit par le complexe de séparation de l'eau dans PS II) est utilisé pour fabriquer de l'ATP via l'ATP synthase.

La structure et la fonction du cytochrome b6F (dans les chloroplastes) est très similaire au cytochrome avant JC1 (Complexe III dans les mitochondries). Les deux sont des structures transmembranaires qui éliminent les électrons d'un porteur d'électrons mobile et liposoluble (la plastoquinone dans les chloroplastes, l'ubiquinone dans les mitochondries) et les transfèrent à un porteur d'électrons mobile et soluble dans l'eau (la plastocyanine dans le cytochrome des chloroplastes). c dans les mitochondries). Les deux sont des pompes à protons qui produisent un gradient de protons transmembranaire. En effet, le cytochrome b6 et la sous-unité IV sont homologues au cytochrome mitochondrial b [5] et les protéines fer-soufre de Rieske des deux complexes sont homologues. [6] Cependant, le cytochrome f et le cytochrome c1 ne sont pas homologues. [7]

Photosystème que j'édite

PS I accepte les électrons de la plastocyanine et les transfère soit au NADPH (transport d'électrons non cyclique) ou retour au cytochrome b6F (transport cyclique d'électrons):

PS I, comme PS II, est une structure transmembranaire complexe et hautement organisée qui contient des chlorophylles d'antenne, un centre de réaction (P700), de la phylloquinone et un certain nombre de protéines fer-soufre qui servent de transporteurs redox intermédiaires.

Le système de récolte de lumière de PS I utilise plusieurs copies des mêmes protéines transmembranaires utilisées par PS II. L'énergie de la lumière absorbée (sous la forme d'électrons délocalisés à haute énergie) est canalisée dans le centre de réaction, où elle excite des molécules de chlorophylle spéciales (P700, absorption lumineuse maximale à 700 nm) à un niveau d'énergie plus élevé. Le processus se déroule avec une efficacité étonnamment élevée.

Les électrons sont retirés des molécules de chlorophylle excitées et transférés à travers une série de transporteurs intermédiaires vers férédoxine, un porteur d'électrons soluble dans l'eau. Comme dans PS II, il s'agit d'un procédé à semi-conducteurs qui fonctionne avec une efficacité de 100 %.

Il existe deux voies différentes de transport d'électrons dans PS I. Dans transport d'électrons non cyclique, la ferredoxine transporte l'électron vers l'enzyme ferredoxine NADP +
réductase (FNR) qui réduit le NADP +
à NADPH. Dans transport cyclique d'électrons, les électrons de la ferredoxine sont transférés (via la plastoquinone) à une pompe à protons, le cytochrome b6F. Ils sont ensuite renvoyés (via la plastocyanine) vers P700.

Le NADPH et l'ATP sont utilisés pour synthétiser des molécules organiques à partir de CO
2 . Le rapport de la production de NADPH à la production d'ATP peut être ajusté en ajustant l'équilibre entre le transport d'électrons cyclique et non cyclique.

Il est à noter que PS I ressemble étroitement aux structures photosynthétiques trouvées dans les bactéries vertes sulfureuses, tout comme PS II ressemble aux structures trouvées dans les bactéries violettes.

PS II, PS I et cytochrome b6F se trouvent dans les chloroplastes. Toutes les plantes et toutes les algues photosynthétiques contiennent des chloroplastes, qui produisent du NADPH et de l'ATP par les mécanismes décrits ci-dessus. Essentiellement, les mêmes structures transmembranaires se retrouvent également dans cyanobactéries.

Contrairement aux plantes et aux algues, les cyanobactéries sont des procaryotes. Ils ne contiennent pas de chloroplastes. Au contraire, ils ont une ressemblance frappante avec les chloroplastes eux-mêmes. Cela suggère que des organismes ressemblant à des cyanobactéries étaient les précurseurs évolutifs des chloroplastes. On imagine des cellules eucaryotes primitives prenant des cyanobactéries comme symbiotes intracellulaires dans un processus connu sous le nom d'endosymbiose.

Cyanobactéries Modifier

Les cyanobactéries contiennent à la fois PS I et PS II. Leur système de récolte de lumière est différent de celui des plantes (ils utilisent phycobilines, plutôt que les chlorophylles, comme pigments d'antenne), mais leur chaîne de transport d'électrons

est, en substance, la même que la chaîne de transport d'électrons dans les chloroplastes. Le porteur d'électrons hydrosoluble mobile est le cytochrome c6 chez les cyanobactéries, la plastocyanine chez les plantes.

Les cyanobactéries peuvent également synthétiser l'ATP par phosphorylation oxydative, à la manière d'autres bactéries. La chaîne de transport d'électrons est

où les porteurs d'électrons mobiles sont la plastoquinone et le cytochrome c6, tandis que les pompes à protons sont la NADH déshydrogénase, cyt b6F et cytochrome aa3 (membre de la famille COX3).

Les cyanobactéries sont les seules bactéries qui produisent de l'oxygène lors de la photosynthèse. L'atmosphère primordiale de la Terre était anoxique. Des organismes comme les cyanobactéries ont produit notre atmosphère actuelle contenant de l'oxygène.

Les deux autres grands groupes de bactéries photosynthétiques, les bactéries violettes et les bactéries vertes sulfureuses, ne contiennent qu'un seul photosystème et ne produisent pas d'oxygène.

Bactéries violettes Modifier

Les bactéries violettes contiennent un seul photosystème qui est structurellement lié à PS II dans les cyanobactéries et les chloroplastes :

P870 → P870 * → ubiquinone → cyt avant JC1 → cyt c2 → P870

C'est un cyclique processus dans lequel des électrons sont retirés d'une molécule de chlorophylle excitée (bactériochlorophylle P870), passé à travers une chaîne de transport d'électrons jusqu'à une pompe à protons (cytochrome avant JC1 complexe similaire à celui chloroplastique), puis est retourné à la molécule de chlorophylle. Le résultat est un gradient de protons, qui est utilisé pour fabriquer de l'ATP via l'ATP synthase. Comme dans les cyanobactéries et les chloroplastes, il s'agit d'un processus à l'état solide qui dépend de l'orientation précise de divers groupes fonctionnels au sein d'une structure macromoléculaire transmembranaire complexe.

Pour fabriquer du NADPH, les bactéries violettes utilisent un donneur d'électrons externe (hydrogène, sulfure d'hydrogène, soufre, sulfite ou molécules organiques telles que le succinate et le lactate) pour alimenter en électrons une chaîne de transport d'électrons inverse.

Bactéries vertes de soufre Modifier

Les bactéries soufrées vertes contiennent un photosystème analogue au PS I dans les chloroplastes :

Il existe deux voies de transfert d'électrons. Dans transfert d'électrons cyclique, les électrons sont retirés d'une molécule de chlorophylle excitée, passés à travers une chaîne de transport d'électrons jusqu'à une pompe à protons, puis renvoyés à la chlorophylle. Les porteurs d'électrons mobiles sont, comme d'habitude, une quinone liposoluble et un cytochrome hydrosoluble. Le gradient de protons résultant est utilisé pour fabriquer de l'ATP.

Dans transfert d'électrons non cyclique, les électrons sont retirés d'une molécule de chlorophylle excitée et utilisés pour réduire le NAD + en NADH. Les électrons retirés de P840 doivent être remplacés. Ceci est accompli en enlevant des électrons de H
2 S , qui est oxydé en soufre (d'où le nom "vert soufre bactéries").

Les bactéries pourpres et les bactéries vertes du soufre occupent des niches écologiques relativement mineures dans la biosphère actuelle. Ils sont intéressants en raison de leur importance dans les écologies précambriennes et parce que leurs méthodes de photosynthèse étaient les précurseurs évolutifs probables de celles des plantes modernes.

Les premières idées sur l'utilisation de la lumière dans la photosynthèse ont été proposées par Colin Flannery en 1779 [8] qui a reconnu que c'était la lumière du soleil tombant sur les plantes qui était nécessaire, bien que Joseph Priestley ait noté la production d'oxygène sans association avec la lumière en 1772. [9 ] Cornelis Van Niel a proposé en 1931 que la photosynthèse est un cas de mécanisme général où un photon de lumière est utilisé pour photo décomposer un donneur d'hydrogène et l'hydrogène étant utilisé pour réduire le CO
2 . [10] Puis en 1939, Robin Hill montra que les chloroplastes isolés produisaient de l'oxygène, mais ne fixaient pas le CO
2 montrant les réactions claires et sombres se sont produites dans différents endroits. Bien qu'elles soient appelées réactions de lumière et d'obscurité, les deux n'ont lieu qu'en présence de lumière. [11] Cela a conduit plus tard à la découverte des photosystèmes I et II.


Y a-t-il des réactions nucléaires dans notre corps ?

Oui, il y a des réactions nucléaires qui se produisent constamment dans notre corps, mais il y en a très peu par rapport aux réactions chimiques, et elles n'affectent pas beaucoup notre corps. Tous les objets physiques sont constitués de molécules. Une molécule est une série d'atomes liés entre eux par des liaisons chimiques (électromagnétiques). À l'intérieur de chaque atome se trouve un noyau qui est une collection de protons et de neutrons liés entre eux par des liaisons nucléaires. Les réactions chimiques sont la création, la rupture et le réarrangement des liaisons entre les atomes dans les molécules. Les réactions chimiques ne modifient la structure nucléaire d'aucun atome. En revanche, les réactions nucléaires impliquent la transformation de noyaux atomiques. La plupart des processus qui nous entourent dans notre vie quotidienne sont des réactions chimiques et non des réactions nucléaires. Tous les processus physiques qui ont lieu pour faire fonctionner un corps humain (le sang capturant l'oxygène, les sucres brûlés, l'ADN en cours de construction, etc.) sont des processus chimiques et non des processus nucléaires. Des réactions nucléaires se produisent effectivement dans le corps humain, mais le corps ne les utilise pas. Les réactions nucléaires peuvent entraîner des dommages chimiques, que le corps peut remarquer et essayer de réparer.

Il existe trois principaux types de réactions nucléaires :

  1. Fusion nucléaire : c'est la réunion de deux petits noyaux atomiques en un seul noyau.
  2. Fission nucléaire : c'est la division d'un gros noyau atomique en fragments plus petits.
  3. Décroissance radioactive : c'est le passage d'un noyau moins stable à un noyau plus stable.

Notez que la fission nucléaire et la désintégration radioactive se chevauchent un peu. Certains types de désintégration radioactive impliquent le recrachage de fragments nucléaires et pourraient donc être considérés comme un type de fission. Aux fins de cet article, la « fission » fait référence à des événements de fragmentation du noyau à grande échelle qui ne peuvent clairement pas être classés comme désintégration radioactive.

La fusion nucléaire nécessite une énergie élevée pour être enflammée. Pour cette raison, la fusion nucléaire ne se produit que dans les étoiles, les supernovas, les bombes à fusion nucléaire, les réacteurs expérimentaux de fusion nucléaire, les impacts de rayons cosmiques et les accélérateurs de particules. De même, la fission nucléaire nécessite une énergie élevée ou une grande masse d'éléments lourds et radioactifs. Pour cette raison, une fission nucléaire significative ne se produit que dans les supernovas, dans les bombes à fission nucléaire, dans les réacteurs à fission nucléaire, dans les impacts de rayons cosmiques, dans les accélérateurs de particules et dans quelques gisements de minerai naturel. En revanche, la désintégration radioactive se produit automatiquement dans les noyaux instables et est donc beaucoup plus courante.

Chaque atome a soit un noyau stable, soit un noyau instable, selon sa taille et le rapport protons/neutrons. Les noyaux avec trop de neutrons, trop peu de neutrons ou tout simplement trop gros sont instables. Ils finissent par se transformer en une forme stable par désintégration radioactive. Partout où il y a des atomes avec des noyaux instables (atomes radioactifs), il y a des réactions nucléaires qui se produisent naturellement. Ce qui est intéressant, c'est qu'il y a de petites quantités d'atomes radioactifs partout : dans votre chaise, dans le sol, dans la nourriture que vous mangez, et oui, dans votre corps.

La désintégration radioactive produit un rayonnement à haute énergie qui peut endommager votre corps. Heureusement, notre corps dispose de mécanismes pour nettoyer les dommages causés par la radioactivité et les radiations à haute énergie avant qu'ils ne deviennent sérieux. Pour la personne moyenne qui mène une vie normale, la quantité de radioactivité dans son corps est si faible que le corps n'a aucune difficulté à réparer tous les dommages. Le problème survient lorsque les niveaux de radioactivité (la quantité de réactions nucléaires dans et autour du corps) augmentent trop et que le corps ne peut pas suivre les réparations. Dans de tels cas, la victime subit des brûlures, une maladie, un cancer et même la mort. L'exposition à des niveaux dangereusement élevés de radioactivité est rare et est généralement évitée par la réglementation gouvernementale, la formation et l'éducation. Les causes courantes d'exposition humaine à une radioactivité élevée comprennent :

  • Le radon naturellement présent dans le sol. Toutes les formes (isotopes) de l'élément radon sont radioactives. Les tests de radon dans les maisons sont devenus la norme pour éviter une surexposition.
  • Employés travaillant dans des réacteurs nucléaires ou des installations d'armes nucléaires. Des politiques strictes et des jauges de rayonnement personnelles aident à prévenir la surexposition.
  • Des gens trop proches d'une arme nucléaire lorsqu'elle est testée.
  • Personnes vivant à proximité d'une centrale nucléaire lorsqu'elle subit une catastrophe nucléaire.
  • Traitement médical qui utilise la radioactivité de manière contrôlée pour lutter contre la maladie.

Notez que si vous faites effectuer un seul examen médical qui nécessite de boire ou de vous faire injecter un traceur radioactif, vous vous retrouvez en effet avec plus de réactions nucléaires dans votre corps que la normale, mais le niveau est encore suffisamment bas pour ne pas être dangereux, et donc ne figurait pas sur cette liste.

De faibles niveaux d'atomes radioactifs s'accumulent constamment chez chaque personne. Les façons dont nous nous retrouvons avec des atomes radioactifs dans notre corps incluent : manger des aliments qui contiennent naturellement de petites quantités d'isotopes radioactifs, respirer de l'air qui contient naturellement de petites quantités d'isotopes radioactifs et être bombardé de rayons cosmiques qui créent des atomes radioactifs dans notre corps. Les isotopes radioactifs naturels les plus courants chez l'homme sont le carbone-14 et le potassium-40. Chimiquement, ces isotopes se comportent exactement comme le carbone et le potassium stables. Pour cette raison, le corps utilise le carbone 14 et le potassium 40 tout comme il le fait pour le carbone et le potassium normaux en les construisant dans les différentes parties des cellules, sans savoir qu'ils sont radioactifs. Avec le temps, les atomes de carbone-14 se désintègrent en atomes d'azote stables et les atomes de potassium-40 se désintègrent en atomes de calcium stables. Les produits chimiques dans le corps qui reposaient sur un atome de carbone-14 ou de potassium-40 à un certain endroit auront soudainement un atome d'azote ou de calcium. Un tel changement endommage le produit chimique. Normalement, de tels changements sont si rares que le corps peut réparer les dommages ou filtrer les produits chimiques endommagés. Le manuel Chemistry: The Practical Science de Paul B. Kelter, Michael D. Mosher et Andrew Scott déclare :

Alors que le potassium-39 et le potassium-41 possèdent des noyaux stables, le potassium-40 est radioactif. Cela signifie que lorsque nous consommons une banane, nous obtenons une quantité mesurable de potassium-40 radioactif. Combien? L'abondance naturelle du potassium-40 n'est que de 0,012%, soit environ 1 atome sur 10 000. Une banane typique contient environ 300 mg de potassium. Par conséquent, avec chaque banane que nous mangeons, nous ingérons environ 0,036 mg de potassium-40 radioactif.

L'apparition naturelle de la désintégration du carbone 14 dans le corps est le principe de base de la datation au carbone. Tant qu'une personne est en vie et continue de manger, chaque atome de carbone-14 qui se désintègre en un atome d'azote est remplacé en moyenne par un nouvel atome de carbone-14. Mais une fois qu'une personne meurt, elle arrête de remplacer les atomes de carbone-14 en décomposition. Lentement, les atomes de carbone 14 se désintègrent en azote sans être remplacés, de sorte qu'il y a de moins en moins de carbone 14 dans un corps mort. La vitesse à laquelle le carbone 14 se désintègre est constante et bien connue, donc en mesurant la quantité relative de carbone 14 dans un os, les archéologues peuvent calculer quand la personne est décédée. Tous les organismes vivants consomment du carbone, la datation au carbone peut donc être utilisée pour dater tout organisme vivant et tout objet fabriqué à partir d'un organisme vivant. Les os, le bois, le cuir et même le papier peuvent être datés avec précision, tant qu'ils ont existé au cours des 60 000 dernières années. Tout cela est dû au fait que les réactions nucléaires se produisent naturellement dans les organismes vivants.


Systèmes d'anneaux avec au moins deux anneaux hétérocycliques fusionnés à cinq ou six chaînons sans hétéroatome en tête de pont

10.20.10.3 Les 7-Azaptéridines

Ce sont les pyrimido[5,4-e][1,2,4]triazines et ont attiré une grande attention en raison de l'intérêt biologique pour les produits naturels toxoflavine 7 et fervenuline 8 et leurs analogues. Les aspects de ces systèmes ont été traités dans CHEC-II(1996) <1996CHEC-II(7)785> . Depuis cette époque, la toxoflavine a attiré davantage l'attention en raison de son apparition en tant que contaminant toxique produit par plusieurs micro-organismes responsables d'intoxications alimentaires mortelles dans plusieurs types d'aliments fermentés, y compris la farine de maïs fermentée aigre dans le nord-est de la Chine <1995MI600>, le champignon blanc comestible cultivé Tremella fuciformis <1995MI600, 1999MI63> , et les aliments fermentés à base de noix de coco (bongkrek) en Indonésie <1999MI63, 1995MI600> . Dans ces cas Pseudomonas cocovenenans a été identifiée à l'origine comme la bactérie responsable, bien qu'elle ait ensuite été transférée au genre Burkholderia sur la base d'études phénotypiques et génétiques <1995MI600> . La toxoflavine a été isolée de Burkholderia cocovenenans <1999MI63> , Burkholderia glumae <2003MI890, 2004MI921> , et Glaïeul Burkholderia <1997MI33> . La toxoflavine et la fervenuline ont été reconnues comme des phytotoxines de maladies bactériennes produites par B. glumae et B. glaïeuls provoquant une inhibition de l'allongement des plantules et de la chlorose sur les feuilles de riz <1997MI33> . Toxoflavine produite par B. glumae a également été identifié comme un agent phytotoxique responsable de la pourriture des grains de riz et du flétrissement bactérien chez plusieurs autres espèces, ce qui a permis de montrer que les mutants déficients en toxoflavine ne parvenaient pas à provoquer le flétrissement <2003MI890> . Une publication ultérieure <2004MI921> a détaillé le fait que la toxoflavine est capable d'agir comme un transporteur actif d'électrons entre le nicotinamide adénosine dinucléotide (NADH) et l'oxygène et peut produire du peroxyde d'hydrogène et contourner le système cytochrome, expliquant peut-être non seulement les activités herbicides précédemment attribuées à la toxoflavine <1996CHEC -II(7)785> , mais aussi les activités antibactériennes et antifongiques attribuées. Le même article a proposé un modèle de travail pour la régulation de la biosynthèse et du transport de la toxoflavine, et a produit la première preuve que la détection du quorum est impliquée dans la production de phytotoxines <2004MI921> .

Compte tenu de l'intérêt détaillé ci-dessus, il n'est pas surprenant que pyrimido[5,4-e][1,2,4]les triazines ont attiré l'attention en tant que substances phares pour de futures recherches. La toxoflavine est particulièrement intéressante 7 , fervenuline 8 , 2-méthylfervenulone (MSD 92) 181 , réumycine (déméthylfervenuline) 182 , et la pyrizinostatine 183 qui présentent une activité antibiotique <2000H(52)811, 1999M819, 1996JHC949>, bien que leur toxicité relativement élevée ait empêché une utilisation clinique. Cette toxicité a été attribuée à la réactivité de type Michael de la jonction annulaire en position 4a <1995JOC7063, 2000JNP1641, 2004MI349> , et à la facilité de réduction du système conjugué <2004MI349, 2003BML2895, 1995JOC7063> , entre autres facteurs. Il a été démontré que la toxoflavine et ses dérivés substitués en 3 et 6 possèdent de puissantes activités antivirales et antitumorales orales ou parentérales puissantes <2001J(P1)130, 1997H(45)643, 1997JPP09255681> , ainsi que des propriétés herbicides intéressantes <1998JPP1075807>. Fait intéressant, une partie du même travail prétend que, dans la série 3-phényle, les 1-alkyltoxoflavines 14 sont plus actifs biologiquement que les 8-alkylfervenulines 15 <2001J(P1)130, 1997H(45)643> . Les dérivées réduites 184 se sont également avérés posséder une activité antitumorale <1997JPP09255681>. Dans le contexte de la thérapie du cancer, il est intéressant de noter que le système cyclique 7-azaptéridine a été identifié comme un échafaudage inhibiteur de la Polo-like kinase 1 (PLK1) <2004MI349>. Ces recherches ont révélé que les toxoflavines substituées étaient des inhibiteurs de PLK plus puissants que les fervenulines et ont montré une activité antiproliférative puissante (faible micromolaire) contre une lignée cellulaire de cancer du côlon humain qui était bien corrélée avec l'activité inhibitrice de PLK1. Un exemple typique est l'analogue de la toxoflavine 185 avec un CI50 pour PLK1 de 1,6 nM et un GI50 contre la lignée cellulaire de cancer du côlon humain SW620 de 0,91 M <2004MI349>.

Toxoflavine 7 Il a été démontré qu'il contracte les vaisseaux sanguins via son effet sur les canaux Ca 2+, l'effet vasocontractant dépendant du Ca 2+ extracellulaire. L'effet s'est avéré dépendant de l'état contractile du tissu vasculaire. La possibilité d'utiliser la toxoflavine comme ouvreur de canaux calciques est suggérée par ce travail <1996BJP293> .

2-Méthylfervenulone (MSD 92) 181 a été identifié comme un chef de file dans un criblage à haut débit pour les inhibiteurs des interactions protéine-protéine médiées par le domaine Src-homologie 2 (SH2) <1995JOC7063> .

Les protéines tyrosine phosphatases (PTPases) et les kinases sont responsables de la régulation de la phosphorylation/déphosphorylation des protéines impliquées dans plusieurs types de maladies humaines et sont donc des cibles pour une intervention thérapeutique. Il est donc intéressant de noter que la 2-méthylfervenulone (MSD 92) 181 a été identifié comme un nouvel inhibiteur de la protéine tyrosine phosphatase <2000JNP1641> . PTPases known as PTB1B and PTPα are believed to play a role in the regulation of the insulin receptor, possibly via dephosphorylation of its active form, and small molecule inhibitors of these PTPases are of some importance in the search for treatments for type 2 diabetes and obesity. It is significant that the pyrimido[5,4-e][1,2,4]triazine-5,7-diamines 87 et 104 constitute a new and novel class of orally active in vitro PTPase inhibitor with the ability, in the cases of compound 104a et 104b , to lower blood glucose levels upon oral administration, making them of great potential as hypoglycemic reagents and antidiabetic agents <2003BML2895> .


How and why do fireflies light up?

Fireflies produce a chemical reaction inside their bodies that allows them to light up. This type of light production is called bioluminescence. The method by which fireflies produce light is perhaps the best known example of bioluminescence. When oxygen combines with calcium, adenosine triphosphate (ATP) and the chemical luciferin in the presence of luciferase, a bioluminescent enzyme, light is produced. Unlike a light bulb, which produces a lot of heat in addition to light, a firefly's light is "cold light" without a lot of energy being lost as heat. This is necessary because if a firefly's light-producing organ got as hot as a light bulb, the firefly would not survive the experience.

A firefly controls the beginning and end of the chemical reaction, and thus the start and stop of its light emission, by adding oxygen to the other chemicals needed to produce light. This happens in the insect's light organ. When oxygen is available, the light organ lights up, and when it is not available, the light goes out. Insects do not have lungs, but instead transport oxygen from outside the body to the interior cells within through a complex series of successively smaller tubes known as tracheoles. For a long time it was a mystery as to how some firefly species manage such a high flash rate, considering the relatively slow speed of the muscles that control oxygen transport. Researchers fairly recently learned that nitric oxide gas (the same gas that is produced by taking the drug Viagra) plays a critical role in firefly flash control. In short, when the firefly light is ¿off," no nitric oxide is being produced. In this situation, oxygen that enters the light organ is bound to the surface of the cell's energy-producing organelles, called the mitrochondria, and is thereby not available for transport further within the light organ. The presence of nitric oxide, which binds to the mitochondria, allows oxygen to flow into the light organ where it combines with the other chemicals needed to produce the bioluminescent reaction. Because nitric oxide breaks down very quickly, as soon as the chemical is no longer being produced, the oxygen molecules are again trapped by the mitochondria and are not available for the production of light.

Fireflies appear to light up for a variety of reasons. The larvae produce short glows and are primarily active at night, even though many species are subterranean or semi-aquatic. Fireflies produce defensive steroids in their bodies that make them unpalatable to predators. Larvae use their glows as warning displays to communicate their distastefulness. As adults, many fireflies have flash patterns unique to their species and use them to identify other members of their species as well as to discriminate between members of the opposite sex. Several studies have shown that female fireflies choose mates depending upon specific male flash pattern characteristics. Higher male flash rates, as well as increased flash intensity, have been shown to be more attractive to females in two different firefly species.

The adult fireflies of some species are not luminous at all, however, and instead use pheromones to locate mates. The use of pheromones as sexual signals appears to be the ancestral condition in fireflies with the use of luminous sexual signals as being a more recent development. There are species that employ both pheromonal and luminous components in their mating systems. These species appear to be evolutionarily intermediate between the pheromone-only fireflies and flash-only fireflies.


How Photosynthesis Works

Photosynthesis defines the process by which plants and some bacteria manufacture glucose. Scientists summarize the process as follows: using sunlight, carbon dioxide + water = glucose + oxygen. The process occurs within special structures called chloroplasts located in the cells of leaves. Optimum photosynthetic rates lead to the removal of greater amounts of carbon dioxide from the local atmosphere, producing greater amounts of glucose. Since glucose levels within plants are difficult to measure, scientists utilize the amount of carbon dioxide assimilation or its release as a means to measure photosynthetic rates. During the night, for example, or when conditions are not prime, plants release carbon dioxide. Maximum photosynthetic rates vary between plant species, but crops such as maize can achieve carbon dioxide assimilation rates as high as 0.075 ounce per cubic foot per hour, or 100 milligrams per decimeter per hour. To achieve optimum growth of some plants, farmers keep them in greenhouses that regulate conditions such as humidity and temperature. There are three temperature regimes over which the rate of photosynthesis changes.


Part 1: Measurement of Photosynthesis

There are various set-ups that can be used to measure the rate of photosynthesis, each relies on counting the oxygen produced during the reaction. To improve results, add a pinch of baking soda to the water in the test tube. Cut elodea stems at an angle and use your fingers to crush the end of the stem. The water in the beaker is meant to absorb the heat from the light.

Design 1: Heat sinks (beaker with water) may not be necessary if using CFL bulbs. Count the bubbles to measure the rate of reaction

Design 3: A marker can be used to measure the amount of oxygen in the test tube rather than measuring bubbles.

If you do not see bubbles right away, re-cut and crush the stems, experiment with moving the light closer to the apparatus or remove the heat sink if using CFL bulbs. Your goal is to find a way to consistently measure the rate of photosynthesis using any of the designs above.

Part 2: Conditions for Photosynthesis

1. With the members of your group, brainstorm variables which may affect the rates of photosynthesis.
2. Form a hypothesis to test your variable.
3. Design an experiment to test your hypothesis. (check with instructor about available materials)
4. After discussing your plan with your instructor, perform your experiment.
5. Record all data and determine if your data supports or refutes your hypothesis.


Photosynthesis in the future

Photosynthetic organisms are a possible means to generate clean-burning fuels such as hydrogen or even methane. Recently, a research group at the University of Turku in Finland, tapped into the ability of green algae to produce hydrogen. Green algae can produce hydrogen for a few seconds if they are first exposed to dark, anaerobic (oxygen-free) conditions and then exposed to light The team devised a way to extend green algae's hydrogen production for up to three days, as reported in their 2018 study published in the journal Energy & Environmental Science.

Scientists have also made advances in the field of artificial photosynthesis. For instance, a group of researchers from the University of California, Berkeley, developed an artificial system to capture carbon dioxide using nanowires, or wires that are a few billionths of a meter in diameter. The wires feed into a system of microbes that reduce carbon dioxide into fuels or polymers by using energy from sunlight. The team published its design in 2015 in the journal Nano Letters.

In 2016, members of this same group published a study in the journal Science that described another artificial photosynthetic system in which specially engineered bacteria were used to create liquid fuels using sunlight, water and carbon dioxide. In general, plants are only able to harness about one percent of solar energy and use it to produce organic compounds during photosynthesis. In contrast, the researchers' artificial system was able to harness 10 percent of solar energy to produce organic compounds.

Continued research of natural processes, such as photosynthesis, aids scientists in developing new ways to utilize various sources of renewable energy. Seeing as sunlight, plants and bacteria are all ubiquitous, tapping into the power of photosynthesis is a logical step for creating clean-burning and carbon-neutral fuels.


Voir la vidéo: Capsule n44: réactions doxydoréduction en biologie (Janvier 2023).