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2.3 : Carbone et molécules organiques - Biologie

2.3 : Carbone et molécules organiques - Biologie


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Objectifs d'apprentissage

  • Expliquez pourquoi le carbone est important pour la vie
  • Identifier les éléments et structures communs trouvés dans les molécules organiques
  • Expliquer le concept d'isomérie
  • Comprendre la synthèse des macromolécules
  • Expliquer l'importance et l'utilisation des groupes fonctionnels
  • Expliquer les réactions de déshydratation (ou condensation) et d'hydrolyse

Les cellules sont constituées de nombreuses molécules complexes appelées macromolécules, telles que des protéines, des acides nucléiques (ARN et ADN), des glucides et des lipides. Les macromolécules sont un sous-ensemble de molécules organiques (tout liquide, solide ou gaz contenant du carbone) qui sont particulièrement importantes pour la vie. Le composant fondamental de toutes ces macromolécules est le carbone. L'atome de carbone a des propriétés uniques qui lui permettent de former des liaisons covalentes avec jusqu'à quatre atomes différents, ce qui rend cet élément polyvalent idéal pour servir de composant structurel de base, ou « colonne vertébrale » des macromolécules.

Les atomes de carbone individuels ont une couche électronique la plus externe incomplète. Avec un numéro atomique de 6 (six électrons et six protons), les deux premiers électrons remplissent la couche interne, laissant quatre dans la deuxième couche. Par conséquent, les atomes de carbone peuvent former jusqu'à quatre liaisons covalentes avec d'autres atomes pour satisfaire la règle de l'octet. La molécule de méthane en donne un exemple : elle a pour formule chimique CH4. Chacun de ses quatre atomes d'hydrogène forme une seule liaison covalente avec l'atome de carbone en partageant une paire d'électrons. Il en résulte une coque la plus externe remplie.

Hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des molécules organiques constituées entièrement de carbone et d'hydrogène, comme le méthane (CH4) décrit ci-dessus. Nous utilisons souvent des hydrocarbures dans notre vie quotidienne comme combustibles, comme le propane dans un gril à gaz ou le butane dans un briquet. Les nombreuses liaisons covalentes entre les atomes dans les hydrocarbures stockent une grande quantité d'énergie, qui est libérée lorsque ces molécules sont brûlées (oxydées). Le méthane, un excellent carburant, est la molécule d'hydrocarbure la plus simple, avec un atome de carbone central lié à quatre atomes d'hydrogène différents, comme illustré à la figure (PageIndex{1}). La géométrie de la molécule de méthane, où les atomes résident en trois dimensions, est déterminée par la forme de ses orbitales électroniques. Les carbones et les quatre atomes d'hydrogène forment une forme connue sous le nom de tétraèdre, avec quatre faces triangulaires ; pour cette raison, le méthane est décrit comme ayant une géométrie tétraédrique.

En tant qu'épine dorsale des grosses molécules des êtres vivants, les hydrocarbures peuvent exister sous forme de chaînes carbonées linéaires, de cycles carbonés ou de combinaisons des deux. De plus, les liaisons carbone-carbone individuelles peuvent être des liaisons covalentes simples, doubles ou triples, et chaque type de liaison affecte la géométrie de la molécule d'une manière spécifique. Cette forme ou conformation tridimensionnelle des grosses molécules de la vie (macromolécules) est essentielle à leur fonctionnement.

Chaînes d'hydrocarbures

Les chaînes hydrocarbonées sont formées par des liaisons successives entre atomes de carbone et peuvent être ramifiées ou non ramifiées. De plus, la géométrie globale de la molécule est altérée par les différentes géométries de liaisons covalentes simples, doubles et triples, illustrées à la figure (PageIndex{2}). Les hydrocarbures éthane, éthène et éthyne servent d'exemples de la façon dont différentes liaisons carbone-carbone affectent la géométrie de la molécule. Les noms des trois molécules commencent par le préfixe «eth-», qui est le préfixe de deux hydrocarbures carbonés. Les suffixes « -ane », « -ène » et « -yne » font respectivement référence à la présence de liaisons carbone-carbone simples, doubles ou triples. Ainsi, le propane, le propène et le propyne suivent le même schéma avec trois molécules de carbone, le butane, le butane et le butyne pour quatre molécules de carbone, et ainsi de suite. Les doubles et triples liaisons modifient la géométrie de la molécule : les liaisons simples permettent une rotation le long de l'axe de la liaison, tandis que les doubles liaisons conduisent à une configuration plane et les triples liaisons à une configuration linéaire. Ces géométries ont un impact significatif sur la forme qu'une molécule particulière peut prendre.

Anneaux d'hydrocarbures

Jusqu'à présent, les hydrocarbures dont nous avons parlé étaient des hydrocarbures aliphatiques, constitués de chaînes linéaires d'atomes de carbone. Un autre type d'hydrocarbure, les hydrocarbures aromatiques, est constitué de cycles fermés d'atomes de carbone. Des structures cycliques se trouvent dans les hydrocarbures, parfois avec la présence de doubles liaisons, ce qui peut être vu en comparant la structure du cyclohexane au benzène sur la figure (PageIndex{3}). Des exemples de molécules biologiques qui incorporent le cycle benzénique comprennent certains acides aminés et le cholestérol et ses dérivés, y compris les hormones œstrogènes et testostérone. Le cycle benzénique est également présent dans l'herbicide 2,4-D. Le benzène est un composant naturel du pétrole brut et a été classé comme cancérigène. Certains hydrocarbures ont à la fois des portions aliphatiques et aromatiques ; le bêta-carotène est un exemple d'un tel hydrocarbure.

La biochimie est la discipline qui étudie la chimie de la vie, et son objectif est d'expliquer la forme et la fonction sur la base de principes chimiques. La chimie organique est la discipline consacrée à l'étude de la chimie du carbone, qui est le fondement de l'étude des biomolécules et de la discipline de la biochimie.

Autres éléments dans les cellules vivantes

L'élément le plus abondant dans les cellules est l'hydrogène (H), suivi du carbone (C), de l'oxygène (O), de l'azote (N), du phosphore (P) et du soufre (S). Nous appelons ces éléments macronutriments, et ils représentent environ 99% du poids sec des cellules. Certains éléments, tels que le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg), le zinc (Zn), le fer (Fe), le calcium (Ca), le molybdène (Mo), le cuivre (Cu), le cobalt (Co), le manganèse (Mn), ou le vanadium (Va), sont nécessaires à certaines cellules en très petites quantités et sont appelés micronutriments ou oligo-éléments. Tous ces éléments sont essentiels au fonctionnement de nombreuses réactions biochimiques et, par conséquent, sont essentiels à la vie.

Les quatre éléments les plus abondants dans la matière vivante (C, N, O et H) ont des numéros atomiques faibles et sont donc des éléments légers capables de former des liaisons fortes avec d'autres atomes pour produire des molécules (Figure (PageIndex{4})) . Contrairement au carbone, l'azote forme jusqu'à trois liaisons, l'oxygène en forme jusqu'à deux et l'hydrogène en forme une. Lorsqu'ils sont liés ensemble au sein de molécules, l'oxygène, le soufre et l'azote ont souvent une ou plusieurs « paires isolées » d'électrons qui jouent un rôle important dans la détermination de nombreuses propriétés physiques et chimiques des molécules. Ces traits combinés permettent la formation d'un grand nombre d'espèces moléculaires diverses nécessaires pour former les structures et permettre les fonctions des organismes vivants.

Les organismes vivants contiennent des composés inorganiques (principalement de l'eau et des sels) et des molécules organiques. Les molécules organiques contiennent du carbone ; les composés inorganiques ne le font pas. Les oxydes de carbone et les carbonates sont des exceptions ; ils contiennent du carbone mais sont considérés comme inorganiques car ils ne contiennent pas d'hydrogène. Les atomes d'une molécule organique sont généralement organisés autour de chaînes d'atomes de carbone.

Les composés inorganiques représentent 1 à 1,5 % de la masse d'une cellule vivante. Ce sont de petits composés simples qui jouent un rôle important dans la cellule, bien qu'ils ne forment pas de structures cellulaires. La plupart du carbone présent dans les molécules organiques provient de sources de carbone inorganiques telles que le dioxyde de carbone capturé via la fixation du carbone par des micro-organismes.

Exercice (PageIndex{1})

  1. Décrivez les éléments les plus abondants dans la nature.
  2. Décrivez les éléments les plus abondants dans la nature.
  3. Quelles sont les différences entre les molécules organiques et inorganiques ?

Molécules organiques

Les molécules organiques dans les organismes sont généralement plus grosses et plus complexes que les molécules inorganiques. Leurs squelettes carbonés sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes. Ils forment les cellules d'un organisme et effectuent les réactions chimiques qui facilitent la vie. Toutes ces molécules, appelées biomolécules car elles font partie de la matière vivante, contiennent du carbone, qui est la pierre angulaire de la vie. Le carbone est un élément tout à fait unique en ce qu'il a quatre électrons de valence dans ses orbitales externes et peut former quatre liaisons covalentes simples avec jusqu'à quatre autres atomes en même temps. Ces atomes sont généralement l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le soufre, le phosphore et le carbone lui-même ; le composé organique le plus simple est le méthane, dans lequel le carbone ne se lie qu'à l'hydrogène (Figure (PageIndex{5})).

En raison de la combinaison unique de taille et de propriétés de liaison du carbone, les atomes de carbone peuvent se lier en grand nombre, produisant ainsi une chaîne ou un squelette carboné. Le squelette carboné des molécules organiques peut être droit, ramifié ou en forme d'anneau (cyclique). Les molécules organiques sont construites sur des chaînes d'atomes de carbone de longueurs variables ; la plupart sont généralement très longs, ce qui permet un grand nombre et une grande variété de composés. Aucun autre élément n'a la capacité de former autant de molécules différentes avec autant de tailles et de formes différentes.

Les molécules ayant la même composition atomique mais un arrangement structurel différent des atomes sont appelées isomères. Le concept d'isomérie est très important en chimie car la structure d'une molécule est toujours directement liée à sa fonction. De légers changements dans les arrangements structurels des atomes dans une molécule peuvent conduire à des propriétés très différentes. Les chimistes représentent les molécules par leur formule structurelle, qui est une représentation graphique de la structure moléculaire, montrant comment les atomes sont disposés. Les composés qui ont des formules moléculaires identiques mais qui diffèrent par la séquence de liaison des atomes sont appelés isomères structuraux. Les monosaccharides glucose, galactose et fructose ont tous la même formule moléculaire, C6H12O6, mais nous pouvons voir sur la figure (PageIndex{6}) que les atomes sont liés ensemble différemment.

Les isomères qui diffèrent dans les arrangements spatiaux des atomes sont appelés stéréoisomères; un type unique est celui des énantiomères. Les propriétés des énantiomères ont été découvertes à l'origine par Louis Pasteur en 1848 en utilisant un microscope pour analyser les produits de fermentation cristallisés du vin. Les énantiomères sont des molécules qui ont la caractéristique de chiralité, dans lesquelles leurs structures sont des images miroir non superposables les unes des autres. La chiralité est une caractéristique importante dans de nombreuses molécules biologiquement importantes, comme illustré par les exemples de différences structurelles dans les formes énantiomères du monosaccharide glucose ou de l'acide aminé alanine (Figure (PageIndex{7})).

De nombreux organismes ne sont capables d'utiliser qu'une seule forme énantiomère de certains types de molécules comme nutriments et comme éléments constitutifs pour créer des structures à l'intérieur d'une cellule. Certaines formes énantiomères d'acides aminés ont des goûts et des odeurs nettement différents lorsqu'elles sont consommées comme aliment. Par exemple, le L-aspartame, communément appelé aspartame, a un goût sucré, tandis que le D-aspartame est insipide. Les énantiomères des médicaments peuvent avoir des effets pharmacologiques très différents. Par exemple, le composé méthorphane existe sous forme de deux énantiomères, dont l'un agit comme antitussif (dextrométhorphane, un antitussif), tandis que l'autre agit comme un analgésique (levométhorphane, un médicament ayant un effet similaire à la codéine).

Les énantiomères sont également appelés isomères optiques car ils peuvent faire tourner le plan de la lumière polarisée. Certains des cristaux que Pasteur a observés lors de la fermentation du vin tournaient légèrement dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que d'autres tournaient la lumière dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Aujourd'hui, nous désignons des énantiomères qui font tourner la lumière polarisée dans le sens des aiguilles d'une montre (+) comme formes, et l'image miroir de la même molécule qui fait tourner la lumière polarisée dans le sens antihoraire (-) comme le je former. Les et je les étiquettes sont dérivées des mots latins dextre (à droite) et laevus (à gauche), respectivement. Ces deux isomères optiques différents ont souvent des propriétés et des activités biologiques très différentes. Certaines espèces de moisissures, de levures et de bactéries, telles que Rhizopus, Yarrowia, et Lactobacilles spp., respectivement, ne peuvent métaboliser qu'un seul type d'isomère optique; l'isomère opposé ne convient pas comme source de nutriments. Une autre raison importante de connaître les isomères optiques est l'utilisation thérapeutique de ces types de produits chimiques pour le traitement médicamenteux, car certains micro-organismes ne peuvent être affectés que par un isomère optique spécifique.

Exercice (PageIndex{2})

  • Nous disons que la vie est basée sur le carbone. Qu'est-ce qui rend le carbone si approprié pour faire partie de toutes les macromolécules des organismes vivants ?
  • Pourquoi la disposition des atomes est-elle si importante ?

Synthèse de molécules biologiques :

Les macromolécules biologiques sont de grosses molécules, nécessaires à la vie, qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques) ; chacun est un composant cellulaire important et remplit un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majorité de la masse sèche d'une cellule (rappelons que l'eau constitue la majorité de sa masse complète). Les macromolécules biologiques sont organiques, c'est-à-dire qu'elles contiennent du carbone. De plus, ils peuvent contenir de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote et d'autres éléments mineurs. Ils partagent également l'utilisation de groupes fonctionnels et de réactions de construction et de déconstruction presque identiques.

Tableau (PageIndex{1}) : Fonctions des macromolécules

MacromoléculeLes fonctions
Les glucidesStockage d'énergie, récepteurs, nourriture, rôle structurel chez les plantes, parois cellulaires fongiques, exosquelettes d'insectes
LipidesStockage d'énergie, structure membranaire, isolation, hormones, pigments
Acides nucléiquesStockage et transfert de l'information génétique
ProtéinesEnzymes, structure, récepteurs, transport, rôle structural dans le cytosquelette d'une cellule et la matrice extracellulaire

Groupes fonctionnels biologiquement significatifs

En plus de contenir des atomes de carbone, les biomolécules contiennent également des groupes fonctionnels - des groupes d'atomes au sein de molécules qui sont classés par leur composition chimique spécifique et les réactions chimiques qu'ils effectuent, quelle que soit la molécule dans laquelle se trouve le groupe. Certains des groupes fonctionnels les plus courants sont répertoriés dans la figure (PageIndex{8}). Dans les formules, le symbole R signifie « résidu » et représente le reste de la molécule. R peut symboliser un seul atome d'hydrogène ou il peut représenter un groupe de plusieurs atomes. Notez que certains groupes fonctionnels sont relativement simples, constitués de seulement un ou deux atomes, tandis que d'autres comprennent deux de ces groupes fonctionnels plus simples. Par exemple, un groupe carbonyle est un groupe fonctionnel composé d'un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène : C=O. Il est présent dans plusieurs classes de composés organiques dans le cadre de groupes fonctionnels plus grands tels que les cétones, les aldéhydes, les acides carboxyliques et les amides. Dans les cétones, le carbonyle est présent en tant que groupe interne, alors que dans les aldéhydes, il s'agit d'un groupe terminal.

Les liaisons hydrogène entre les groupes fonctionnels (au sein de la même molécule ou entre différentes molécules) sont importantes pour le fonctionnement de nombreuses macromolécules et les aident à se replier correctement et à conserver la forme appropriée pour leur fonctionnement. Les liaisons hydrogène sont également impliquées dans divers processus de reconnaissance, tels que l'appariement de bases complémentaires de l'ADN et la liaison d'une enzyme à son substrat, comme illustré sur la figure (PageIndex{9}).

Synthèse de déshydratation

La plupart des macromolécules sont constituées de sous-unités uniques, ou blocs de construction, appelés monomères. Les monomères se combinent les uns aux autres en utilisant des liaisons covalentes pour former des molécules plus grosses appelées polymères. Ce faisant, les monomères libèrent des molécules d'eau en tant que sous-produits. Ce type de réaction est connu sous le nom de synthèse par déshydratation, ce qui signifie « s'assembler en perdant de l'eau ».

Dans une réaction de synthèse par déshydratation (Figure (PageIndex{10})), 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.

Hydrolyse

Les polymères sont décomposés en monomères dans un processus connu sous le nom d'hydrolyse, qui signifie « diviser l'eau », une réaction dans laquelle une molécule d'eau est utilisée pendant la décomposition (Figure (PageIndex{11})). Au cours de ces réactions, le polymère est divisé en deux composants : une partie gagne un atome d'hydrogène (H+) et l'autre gagne une molécule d'hydroxyle (OH–) à partir d'une molécule d'eau divisée.

Les réactions de déshydratation et d'hydrolyse sont catalysées, ou « accélérées », par des enzymes spécifiques ; les réactions de déshydratation impliquent la formation de nouvelles liaisons, nécessitant de l'énergie, tandis que les réactions d'hydrolyse rompent les liaisons et libèrent de l'énergie. Ces réactions sont similaires pour la plupart des macromolécules, mais chaque réaction de monomère et de polymère est spécifique à sa classe. Par exemple, dans notre corps, les aliments sont hydrolysés ou décomposés en molécules plus petites par les enzymes catalytiques du système digestif. Cela permet une absorption facile des nutriments par les cellules de l'intestin. Chaque macromolécule est décomposée par une enzyme spécifique. Par exemple, les glucides sont décomposés par l'amylase, la sucrase, la lactase ou la maltase. Les protéines sont décomposées par les enzymes pepsine et peptidase et par l'acide chlorhydrique. Les lipides sont décomposés par les lipases. La décomposition de ces macromolécules fournit de l'énergie pour les activités cellulaires.

Visitez ce site pour voir des représentations visuelles de la synthèse de la déshydratation et de l'hydrolyse.

Concepts clés et résumé

  • Les propriétés uniques du carbone en font un élément central des molécules biologiques. Le carbone se lie de manière covalente à l'oxygène, à l'hydrogène et à l'azote pour former les nombreuses molécules importantes pour la fonction cellulaire.
  • Le carbone a quatre électrons dans sa couche la plus externe et peut former quatre liaisons.
  • Le carbone et l'hydrogène peuvent former des chaînes ou des cycles hydrocarbonés. La mise en forme de ces chaînes ou anneaux définit leurs caractéristiques chimiques globales et leur fonction.
  • Les éléments les plus abondants dans les cellules sont l'hydrogène, le carbone, l'oxygène, l'azote, le phosphore et le soufre.
  • La vie est basée sur le carbone. Chaque atome de carbone peut se lier à un autre produisant un squelette de carbone qui peut être droit, ramifié ou en forme d'anneau.
  • Les mêmes nombres et types d'atomes peuvent se lier de différentes manières pour donner différentes molécules appelées isomères. Les isomères peuvent différer dans la séquence de liaison de leurs atomes (isomères de structure) ou dans l'arrangement spatial d'atomes dont les séquences de liaison sont les mêmes (stéréoisomères), et leurs propriétés physiques et chimiques peuvent varier légèrement ou considérablement.
  • Les protéines, les glucides, les acides nucléiques et les lipides sont les quatre principales classes de macromolécules biologiques, de grosses molécules nécessaires à la vie qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites.
  • Groupes fonctionnels confèrent des propriétés chimiques spécifiques aux molécules qui les portent.
  • Les macromolécules sont constituées d'unités uniques appelées monomères qui sont reliées par des liaisons covalentes pour former des polymères plus gros.
  • Un monomère se joint à un autre monomère avec la libération d'une molécule d'eau, conduisant à la formation d'une liaison covalente. Ces types de réactions sont connus sous le nom de réactions de déshydratation ou de condensation.
  • Lorsque les polymères sont décomposés en unités plus petites (monomères), une molécule d'eau est utilisée pour chaque liaison rompue par ces réactions ; de telles réactions sont connues sous le nom de réactions d'hydrolyse.
  • Les réactions de déshydratation et d'hydrolyse sont similaires pour toutes les macromolécules, mais chaque réaction de monomère et de polymère est spécifique à sa classe. Les réactions de déshydratation nécessitent généralement un investissement d'énergie pour la formation de nouvelles liaisons, tandis que les réactions d'hydrolyse libèrent généralement de l'énergie en rompant les liaisons.

Glossaire

hydrocarbure aliphatique
hydrocarbure constitué d'une chaîne linéaire d'atomes de carbone
hydrocarbure aromatique
hydrocarbure constitué de cycles fermés d'atomes de carbone
macromolécule biologique
grande molécule nécessaire à la vie qui est construite à partir de petites molécules organiques
synthèse de déshydratation
(également, condensation) réaction qui lie les molécules de monomère ensemble, libérant une molécule d'eau pour chaque liaison formée
hydrocarbure
molécule constituée uniquement de carbone et d'hydrogène
hydrolyse
la réaction provoque la décomposition de molécules plus grosses en molécules plus petites avec l'utilisation d'eau
monomère
plus petite unité de molécules plus grosses appelées polymères
molécule organique
toute molécule contenant du carbone (sauf le dioxyde de carbone)
polymère
chaîne de résidus monomères liés par des liaisons covalentes; la polymérisation est le processus de formation de polymères à partir de monomères par condensation
hydrocarbure substitué
chaîne ou cycle hydrocarboné contenant un atome d'un autre élément à la place de l'un des carbones du squelette

2.3 : Carbone et molécules organiques - Biologie

Audesirk / Audesirk : La vie sur Terre Chapitre 2 : Atomes, molécules et vie

1. Un atome est la plus petite unité de matière unique à un élément particulier.

2. Un élément est une substance qui ne peut être ni décomposée ni convertie en différentes substances par des réactions chimiques ordinaires.

3. Une molécule est une unité liée de deux atomes ou plus (identiques ou différents).

4. Les composés sont des substances dans lesquelles deux éléments ou plus sont combinés dans des proportions fixes. c'est-à-dire de l'eau

5. Un mélange est composé de deux ou plusieurs composés, en proportions variables.

une. Les protons (p+) font partie du noyau atomique et ont une charge positive.

b. Les neutrons font également partie du noyau, ils sont neutres.

c. Les électrons (e-) ont une charge négative. Leur quantité est égale à celle des protons. Ils se déplacent autour du noyau.

7. Numéro atomique et numéro de masse

une. Numéro atomique = le nombre de protons dans le noyau d'un élément.

b. Protons plus neutrons = masse atomique.

Isotopes : formes variantes d'atomes

1. Les atomes avec le même nombre de protons (par exemple, le carbone avec six) mais un nombre différent de neutrons (le carbone peut en avoir six, sept ou huit) sont appelés isotopes. (par exemple 12 CH, 13 CH, 14 CH).

2. Certains isotopes radioactifs sont instables et ont tendance à se désintégrer en atomes plus stables.

Électrons et niveaux d'énergie

1. Les électrons sont attirés par les protons mais sont repoussés par d'autres électrons.

Les orbitales (niveaux d'énergie) permettent aux électrons de rester aussi près du noyau et aussi loin que possible les uns des autres.

Les orbitales peuvent être considérées comme occupant des coquilles autour du noyau.

une. La couche la plus proche du noyau a une orbitale contenant un maximum de deux électrons.

b. La couche suivante peut avoir 4 orbitales avec deux électrons chacune pour un total de 8 électrons.

2. Les principes de base de la réactivité atomique sont :

une. Un atome est stable (ne réagit pas avec d'autres atomes) lorsque sa couche électronique la plus externe est complètement pleine ou complètement vide.

b. Un atome est réactif lorsque sa couche électronique la plus externe est partiellement remplie.

Liaisons chimiques : joindre des atomes pour fabriquer des molécules

A. Qu'est-ce qu'une liaison chimique ?

1. Une liaison chimique est une union entre des atomes qui se forment lorsqu'ils cèdent, gagnent ou partagent des électrons.

2. La liaison entre un atome et un autre dépend du nombre et de la disposition de ses électrons.

1. Lorsqu'un atome perd ou gagne un ou plusieurs électrons, il se charge positivement ou négativement. C'est ce qu'on appelle un ion.

2. Dans une liaison ionique, les ions (+) et (-) sont liés par attraction mutuelle de charges opposées. Liaisons ioniques entre deux atomes avec de grandes différences d'électronégativité. par exemple. NaCl, KCl.

1. Une liaison covalente maintient ensemble deux atomes qui partagent une ou plusieurs paires d'électrons.

2. Dans une liaison covalente non polaire, les atomes partagent également des électrons.

La plupart des liaisons covalentes non polaires se produisent dans les molécules diatomiques.

par exemple. H 2 , Cl 2 , O 2 et N 2 .

3. Dans une liaison covalente polaire, parce que les atomes partagent l'électron de manière inégale, il existe une légère différence de charge entre les deux pôles de la liaison HCl et l'eau en sont des exemples.

1. Dans une liaison hydrogène, un atome ou une molécule interagit faiblement avec un atome d'hydrogène participant déjà à une liaison covalente polaire.

2. Ces liaisons confèrent une structure à l'eau liquide et stabilisent les acides nucléiques et autres molécules.

A. L'eau a des propriétés de solvant exceptionnelles.

B. La polarité de la molécule d'eau influence le comportement d'autres substances.

1. En raison des arrangements électroniques dans la molécule d'eau, il en résulte une polarité qui permet à l'eau de former des liaisons hydrogène avec elle-même et d'autres substances polaires.

2. Les substances polaires sont hydrophiles (qui aiment l'eau), les non polaires sont hydrophobes (qui redoutent l'eau) et sont repoussées par l'eau.

C. L'eau a des effets de stabilisation de la température.

1. L'eau a tendance à stabiliser la température car elle peut absorber une chaleur considérable avant que sa température ne change.

2. L'eau a trois propriétés qui modèrent les effets des changements de température.

une. L'eau a une chaleur spécifique élevée. La chaleur spécifique est la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'une substance de 1 o C.

b. L'eau modère les effets des températures élevées par sa chaleur de vaporisation. C'est-à-dire la quantité de chaleur (énergie) nécessaire pour convertir l'eau liquide en vapeur d'eau.

c. L'eau modère les effets des basses températures par sa chaleur de fusion. C'est-à-dire la quantité d'énergie qui doit être retirée de l'eau liquide avant la formation de glace.

D. L'eau a des propriétés cohésives.

1. La liaison hydrogène des molécules d'eau assure la cohésion.

2. La cohésion confère une tension superficielle (capacité de résister à la rupture) qui aide à tirer l'eau à travers les plantes et permet aux insectes de « rester » sur l'eau.

Eau, ions dissous et pH

1. Le pH est une mesure de la concentration en [H+] dans une solution, plus le [H+] est élevé, plus le pH est bas.

2. L'échelle s'étend de 0 (acide) à 7 (neutre) à 14 (basique).

3. L'intérieur des cellules vivantes est proche du pH = 7.

1. Une substance qui libère des ions hydrogène (H+) en solution est un acide, par exemple HCl.

2. Les substances qui libèrent des ions tels que OH - (ions hydroxyde) qui peuvent se combiner avec des ions hydrogène sont appelées bases , par exemple NaOH.

3. Un sel est un composé ionique formé lorsqu'un acide réagit avec une base

exemple : NaOH + HCl -> NaCl + H 2 O.

C. Les tampons et le pH des fluides corporels

1. Les molécules tampons se combinent avec, ou libèrent, H+ pour empêcher des changements drastiques de pH .

2. L'acide carbonique est l'un des principaux tampons du corps.

Formule pour la vie (effet Bohr)

CO 2 + H 2 O <=> H 2 CO 3 <=> H + + HCO 3 -

Molécules inorganiques et organiques

Propriétés des composés organiques

A. Un composé organique est constitué de carbone et d'un ou plusieurs éléments supplémentaires, liés de manière covalente les uns aux autres.

B. Liaisons carbone-carbone et stabilité vis-à-vis des composés organiques

1. L'oxygène, l'hydrogène et le carbone sont les éléments les plus abondants dans la matière vivante.

2. Une grande partie du H et du O sont liés sous forme d'eau.

3. Le carbone peut partager des paires d'électrons avec jusqu'à quatre autres atomes pour former des molécules organiques de plusieurs configurations.

C. Les liaisons carbone-carbone et la forme des composés organiques

1. Un atome de carbone peut tourner librement autour d'une seule liaison covalente.

2. Une double liaison covalente restreint la rotation.

3. De telles interactions contribuent à donner naissance aux formes et fonctions tridimensionnelles des molécules biologiques.

D. Hydrocarbures et groupes fonctionnels

1. Dans les hydrocarbures, seuls les atomes d'hydrogène sont attachés au squelette carboné, ces molécules sont assez stables.

2. Les groupes fonctionnels sont des atomes ou des groupes d'atomes liés de manière covalente à un squelette carboné, ils transmettent des propriétés distinctes, telles que la solubilité et la réactivité chimique, à la molécule complète.

Comment les cellules utilisent les composés organiques

A. Cinq classes de réactions

1. Les enzymes sont une classe spéciale de protéines qui interviennent dans cinq catégories de réactions chimiques : a. transfert de groupe fonctionnel d'une molécule à une autre

b. transfert d'électrons : électrons dépouillés d'une molécule et donnés à une autre

c. le réarrangement des liaisons internes convertit un type de molécule organique en un autre

ré. condensation de deux molécules en une seule molécule

e. clivage d'une molécule en deux molécules

2. Dans une réaction de condensation (synthèse par déshydratation), une molécule est dépouillée de son H+, une autre est dépouillée de son OH&emdash puis les deux fragments moléculaires se rejoignent pour former un nouveau composé et le H+ et OH&emdash forment de l'eau.

3. L'hydrolyse est l'inverse : une molécule est divisée par l'ajout de H+ et OH- (de l'eau) aux composants.

1. Ces molécules sont utilisées comme source d'énergie ou comme éléments constitutifs de la synthèse de macromolécules : polysaccharides, lipides, protéines et acides nucléiques.

2. Ils comprennent les sucres simples, les acides gras, les acides aminés et les nucléotides, qui ont tous leurs propres fonctions ainsi que la capacité de former des macromolécules plus grosses.

A. Monosaccharides&endashLes sucres simples

1. Monosaccharides & unité de sucre endashone & endashare les glucides les plus simples.

2. Ils sont caractérisés par une solubilité dans l'eau, un goût sucré et plusieurs groupes -OH.

3. Le ribose et le désoxyribose (squelettes à cinq carbones) sont des éléments constitutifs des acides nucléiques.

4. Le glucose et le fructose (squelette à six carbones) sont utilisés pour assembler des glucides plus volumineux.

5. D'autres molécules importantes dérivées de monomères de sucre comprennent : le glycérol, la vitamine C et le glucose-6-phosphate.

1. Un oligosaccharide est une chaîne courte de deux ou plusieurs monomères de sucre.

2. Disaccharides&endashdeux unités de sucre&endashare exemples.

une. Le saccharose (glucose + fructose) est une forme de transport du sucre utilisé par les plantes et récolté par l'homme pour être utilisé dans l'alimentation.

b. Le lactose (glucose + galactose) est présent dans le lait.

c. Le maltose (deux unités de glucose) est présent dans les graines en germination.

3. Les oligosaccharides avec au moins trois sucres monomères sont attachés sous forme de courtes chaînes latérales aux protéines où ils participent à la fonction membranaire.

Glucides complexes : les polysaccharides

A. Un polysaccharide est une chaîne droite ou ramifiée de centaines ou de milliers de monomères de sucre.

B. L'amidon est une forme de stockage d'énergie végétale, arrangée sous forme de chaînes enroulées non ramifiées, facilement hydrolysées en unités de glucose.

C. La cellulose est un matériau structurel fibreux - résistant, insoluble - utilisé dans les parois cellulaires végétales.

D. Le glycogène est une chaîne hautement ramifiée utilisée par les animaux pour stocker de l'énergie dans les muscles et le foie.

E. La chitine est un polysaccharide spécialisé avec de l'azote attaché aux unités de glucose. Il est utilisé comme matériau structurel dans les exosquelettes d'arthropodes et les parois cellulaires fongiques.

A. Les lipides sont des composés gras ou huileux ayant peu tendance à se dissoudre dans l'eau.

1. Ils peuvent être décomposés par des réactions d'hydrolyse.

2. Ils fonctionnent dans le stockage d'énergie, la structure de la membrane et les revêtements.

1. Un acide gras est une longue chaîne composée principalement d'atomes de carbone et d'hydrogène avec un groupe -COOH à une extrémité.

2. Lorsqu'ils font partie de lipides complexes, les acides gras sont comme de longues queues flexibles.

une. Les graisses saturées (triglycérides) n'ont que des liaisons C&endashC simples dans leurs queues d'acides gras et sont solides à température ambiante.

b. Les graisses insaturées sont des liquides (huiles) à température ambiante car une ou plusieurs doubles liaisons entre les carbones des acides gras permettent des "plis" dans les queues.

C. Graisses neutres (triglycérides)

1. Ils sont formés par la fixation d'un (mono-), de deux (di-) ou de trois (tri-) acides gras à un glycérol.

2. Ils sont une riche source d'énergie, produisant plus de deux fois plus d'énergie par poids que les glucides.

1. Ils sont formés par la fixation de deux acides gras plus un groupe phosphate à un glycérol.

2. Ils sont le principal matériau structurel des membranes.

1. Ils sont formés par la fixation d'acides gras à longue chaîne à des alcools à longue chaîne ou à des cycles carbonés.

2. Ils servent de revêtements pour les parties de plantes et de revêtements pour animaux.

F. Stérols et leurs dérivés

1. Les stérols ont une épine dorsale de quatre anneaux de carbone.

2. Le cholestérol est un composant des membranes cellulaires chez les animaux et peut être modifié pour former des hormones sexuelles (testostérone et œstrogène).

A. Les protéines sont des polymères d'acides aminés.

1. Les protéines fonctionnent comme des enzymes, dans les mouvements cellulaires, comme agents de stockage et de transport, comme hormones, comme anticorps et comme matériau structurel.

2. Les acides aminés sont de petites molécules organiques avec un groupe amino, un groupe carboxyle et l'un des vingt groupes R différents.

B. Structure primaire des protéines

1. La structure primaire est définie comme des séquences ordonnées d'acides aminés, chacune liée par des liaisons peptidiques pour former des chaînes polypeptidiques. Les acides aminés sont liés pour former des chaînes par synthèse de déshydratation.

2. Il existe vingt types d'acides aminés disponibles dans la nature.

3. La séquence des acides aminés est déterminée par l'ADN et est unique pour chaque type de protéine.

C. Structure tridimensionnelle des protéines

1. Les protéines fibreuses ont des chaînes polypeptidiques organisées en brins ou en feuilles, elles contribuent à la forme, à l'organisation interne et au mouvement des cellules.

2. Les protéines globulaires, y compris la plupart des enzymes, ont leurs chaînes repliées en des formes compactes et arrondies.

3. La structure tridimensionnelle est déterminée par la façon dont les séquences d'acides aminés présentent leurs atomes pour la liaison hydrogène.

une. La structure secondaire fait référence à la bobine hélicoïdale (comme dans l'hémoglobine) ou au réseau en forme de feuille (comme dans la soie) qui résulte de la liaison hydrogène des groupes latéraux sur les chaînes d'acides aminés.

b. La structure tertiaire est le résultat du repliement dû aux interactions entre les groupes R le long de la chaîne polypeptidique.

c. La structure quaternaire décrit la complexation de deux chaînes polypeptidiques ou plus pour former des protéines globulaires (exemple : hémoglobine) ou fibreuses.

D. Lipoprotéines et glycoprotéines

1. Les lipoprotéines ont à la fois des composants lipidiques et protéiques, elles transportent les graisses et le cholestérol dans le sang.

2. Les glycoprotéines sont constituées d'oligosaccharides liés de manière covalente à des protéines. Elles sont abondantes à l'extérieur des cellules animales, en tant que produits cellulaires et dans le sang.

1. Des températures élevées ou des changements de pH peuvent entraîner une perte de la forme tridimensionnelle normale d'une protéine (dénaturation).

2. Le fonctionnement normal est perdu lors de la dénaturation, qui est souvent irréversible.

Nucléotides et acides nucléiques

A. Nucléotides avec des rôles clés dans le métabolisme

1. Chaque nucléotide est constitué d'un sucre à cinq atomes de carbone (ribose ou désoxyribose), d'une base azotée et d'un groupe phosphate.

2. Les adénosines phosphates sont des messagers chimiques (AMPc) ou des vecteurs énergétiques (ATP).

3. Les coenzymes nucléotidiques transportent des atomes d'hydrogène et des électrons (exemples : NAD+ et FAD).

B. Disposition des nucléotides dans les acides nucléiques : ADN et ARN

1. Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. une. Quatre types différents de nucléotides sont enchaînés pour former de grandes molécules simple ou double brin.

b. Le squelette de chaque brin est constitué de sucres et de phosphates joints avec des bases nucléotidiques se projetant vers l'intérieur.

2. Les deux acides nucléiques les plus importants sont l'ADN et l'ARN.

une. L'ADN est une hélice double brin portant des instructions héréditaires codées.

b. L'ARN est simple brin et fonctionne dans la traduction du code pour construire des protéines.

Copyright 2000 par Steven Wormsley
Dernière mise à jour le 5 janvier 2000 par Steven Wormsley


2.3 : Carbone et molécules organiques - Biologie

PARTIE II. PIERRES ANGULAIRES : CHIMIE, CELLULES ET MÉTABOLISME

3. Molécules organiques - Les molécules de vie

Dans les toilettes, mais alors quoi ?

Des scientifiques de plus en plus préoccupés par l'eau que nous buvons.

Il a été rapporté qu'une vaste gamme de produits pharmaceutiques a été trouvée dans les approvisionnements en eau potable d'au moins 41 millions d'Américains. Beaucoup d'entre eux sont des composés organiques et comprennent des antibiotiques, des anticonvulsivants, des stabilisateurs de l'humeur et des hormones sexuelles. Les composés organiques peuvent être des molécules très complexes et durables. Comment ces médicaments pénètrent-ils dans l'eau ? L'un des moyens consiste à utiliser des médicaments non métabolisés qui sont excrétés dans l'urine. De plus, les fournisseurs de soins de santé recommandent de jeter les médicaments non utilisés dans les toilettes. De plus, ces composés pénètrent dans l'approvisionnement en eau à l'occasion par des déversements accidentels qui peuvent entraîner une contamination de notre eau. Un administrateur de l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a déclaré que ce problème est une préoccupation croissante. L'EPA prend cette question au sérieux car ni le traitement des eaux usées ni la purification de l'eau ne peuvent éliminer tous les médicaments.

Au fur et à mesure que les scientifiques apprennent de leurs recherches, des questions plus spécifiques sont formulées concernant les effets à long terme sur la santé de la contamination pharmaceutique de notre eau. Par exemple, un médicament contre l'ostéoporose populaire, le Fosamax, a été associé à des douleurs musculo-squelettiques sévères et à une grave maladie osseuse appelée ostéonécrose de la mâchoire (ONM), également connue sous le nom de « mâchoire morte » et « mâchoire fossy ». Les biofilms microbiens, un mélange de bactéries et de composés organiques collants, semblent être à l'origine de cet effet secondaire. Si les médicaments atteignent des niveaux de contamination suffisamment élevés dans notre approvisionnement en eau, verrons-nous une augmentation de l'ONM chez les personnes qui ne prennent même pas ce médicament ?

Certains dentistes observent l'éruption des deuxièmes molaires chez des enfants aussi jeunes que 8 ans. Normalement, ceux-ci n'apparaissent pas avant l'âge de 12 ou 13 ans. Pourrait-il y avoir une relation de cause à effet avec un contaminant pharmaceutique dans notre approvisionnement en eau ?

• Qu'est-ce qui différencie les molécules organiques des autres molécules ?

• Quelle est la structure des divers composés organiques ?

• Y a-t-il un moment où le remède est pire que le mal ?

Concepts que vous devez déjà connaître pour tirer le meilleur parti de ce chapitre :

• La nature de la matière (chapitre 2)

• Modifications chimiques pouvant survenir dans la matière (chapitre 2)

• Les caractéristiques clés de l'eau (chapitre 2)

• Les différents types de réactions chimiques (chapitre 2)

Les principes et concepts discutés au chapitre 2 s'appliquent à tous les types de matière, aussi bien vivante que non vivante. Les systèmes vivants sont composés de divers types de molécules.La plupart des produits chimiques décrits au chapitre 2 ne contiennent pas d'atomes de carbone et sont donc classés comme molécules inorganiques. Ce chapitre concerne principalement les structures plus complexes, les molécules organiques, qui contiennent des atomes de carbone disposés en anneaux ou en chaînes. Les mots organique, organisme, organe et organiser sont tous liés. Les objets organisés ont des parties qui s'emboîtent de manière significative. Les organismes sont des êtres vivants organisés. Les animaux, par exemple, ont des systèmes d'organes dans leur corps, et leurs organes sont composés de types uniques de molécules organiques.

Les significations originales des termes inorganique et organique provenaient du fait que les matériaux organiques étaient considérés soit comme vivants, soit comme produits uniquement par des êtres vivants. Un lien très fort existe entre la chimie organique et la chimie du vivant, que l'on appelle biochimie ou chimie biologique. La chimie moderne a considérablement modifié le sens originel des termes organique et inorganique, car il est désormais possible de fabriquer des molécules organiques uniques qui ne peuvent être produites par les êtres vivants. La plupart des matériaux que nous utilisons quotidiennement sont le résultat de l'art de la chimie organique. Nylon, aspirine, vernis polyuréthane, silicones, plexiglas, emballages alimentaires, téflon et insecticides ne sont que quelques-unes des molécules synthétiques uniques qui ont été inventées par les chimistes organiques (figure 3.1). Les plastiques tels que le polyéthylène basse densité (PEBD) utilisés pour fabriquer des sacs à ordures sont des molécules extrêmement stables qui nécessitent des centaines d'années pour se décomposer.

GRAPHIQUE 3.1. Quelques matières organiques synthétiques courantes

Ce ne sont là que quelques exemples de produits contenant des composés organiques utiles inventés et fabriqués par des chimistes.

De nombreux chimistes organiques se sont inspirés des organismes vivants et ont pu produire des molécules organiques plus efficacement, ou sous des formes légèrement différentes des molécules naturelles d'origine. Le caoutchouc, la pénicilline, certaines vitamines, l'insuline et l'alcool en sont quelques exemples (figure 3.2). Un autre exemple est l'insecticide Pyréthrine. Il est basé sur un insecticide naturel et est largement utilisé à des fins agricoles et domestiques. Il est dérivé d'un certain type de plante de chrysanthème, Pyrethrum cinerariaefolium.

FIGURE 3.2. Composés organiques naturels et synthétiques

(a) Ce chercheur teste des antibiotiques produits par des microbes isolés de l'environnement. Chaque disque de papier, contenant un antibiotique différent, est placé à la surface d'une boîte de Pétri contenant des bactéries pathogènes en croissance. La présence d'une « zone morte » autour d'un disque indique que l'antibiotique s'est propagé à travers le gel et est capable d'inhiber ou de tuer les bactéries. (b) Certains types de chrysanthèmes produisent l'insecticide Pyréthrine. (c) Il peut être trouvé comme « ingrédient actif » dans de nombreux produits anti-fourmis et cafards disponibles dans le commerce.

Carbone : l'atome central

Toutes les molécules organiques, qu'elles soient naturelles ou synthétiques, ont certaines caractéristiques communes. L'atome de carbone, qui est l'atome central de toutes les molécules organiques, possède des propriétés inhabituelles qui contribuent à la nature d'un composé organique. Le carbone est unique en ce qu'il peut se combiner avec d'autres atomes de carbone pour former de longues chaînes. Dans de nombreux cas, les extrémités de ces chaînes peuvent se rejoindre pour former des anneaux (figure 3.3).

ILLUSTRATION 3.3. Structures de chaîne et d'anneau

La structure cyclique illustrée en bas est formée en joignant les deux extrémités d'une chaîne d'atomes de carbone.

Il est également inhabituel que ces sites de liaison soient tous situés à égale distance les uns des autres car les 4 électrons les plus externes ne restent pas dans les positions standard décrites au chapitre 2. Ils se répartissent différemment, ce qui leur permet d'être aussi éloignés que possible ( figure 3.4). Les atomes de carbone sont généralement impliqués dans des liaisons covalentes. Parce que le carbone a quatre endroits où il peut se lier, l'atome de carbone peut se combiner avec quatre autres atomes en formant quatre liaisons covalentes séparées et simples avec d'autres atomes. C'est le cas de la molécule de méthane, qui a quatre atomes d'hydrogène liés à un seul atome de carbone (voir la figure 3.4). Le méthane pur est un gaz incolore et inodore qui constitue 95 % du gaz naturel. L'arôme du gaz naturel est le résultat de l'ajout de mercaptan et de disulfure de triméthyle pour la sécurité afin d'informer les gens lorsqu'une fuite se produit.

FIGURE 3.4. Modèles d'une molécule de méthane

Les structures des molécules peuvent être modélisées de plusieurs manières. Par souci de simplicité, les schémas de molécules telles que le gaz méthane peuvent être (a) des dessins bidimensionnels, bien qu'en réalité ce soient des molécules tridimensionnelles et prennent de la place. Le modèle présenté en (b) est appelé modèle boule-et-bâton. La partie (c) est un modèle de remplissage d'espace, tandis que (d) est un modèle généré par ordinateur. Chaque fois que vous voyez les différentes manières dont les molécules sont affichées, essayez d'imaginer l'espace qu'elles occupent réellement.

Certains atomes peuvent être liés à un seul atome plus d'une fois. Cela se traduit par un arrangement légèrement différent des liaisons autour de l'atome de carbone. Un exemple de ce type de liaison se produit lorsque l'oxygène est attiré par un carbone. Un atome d'oxygène a 2 électrons dans son niveau d'énergie le plus externe. S'il partage l'un d'entre eux avec un carbone et partage ensuite l'autre avec le même carbone, il forme une double liaison covalente. Une double liaison est constituée de deux liaisons covalentes formées entre deux atomes qui partagent deux paires d'électrons. L'oxygène n'est pas le seul atome qui peut former des doubles liaisons, mais les doubles liaisons sont courantes entre l'oxygène et le carbone. La double liaison est désignée par deux lignes entre les deux atomes :

Étant donné que le carbone a 4 électrons dans son niveau d'énergie externe, deux atomes de carbone peuvent former des doubles liaisons entre eux, puis se lier à d'autres atomes sur les sites de liaison restants. La figure 3.5 montre plusieurs composés qui contiennent des doubles liaisons.

Ces diagrammes montrent plusieurs molécules qui contiennent des doubles liaisons en rouge. Une double liaison se forme lorsque deux atomes partagent deux paires d'électrons.

Certaines molécules organiques contiennent des liaisons covalentes triples, le gaz inflammable acétylène, HC=CH, en est un exemple. D'autres, comme le cyanure d'hydrogène HC≡N, ont une importance biologique. Cette molécule inhibe la production d'énergie et peut causer la mort comme d'autres molécules organiques. (Comment fonctionne la science 3.1).

Composés organiques : des poisons pour vos animaux de compagnie !

La vignette d'ouverture concernant la contamination pharmaceutique de notre approvisionnement en eau a des implications sanitaires de grande envergure pour les humains. Cependant, il ne faut pas oublier nos animaux de compagnie, dont le métabolisme n'est pas forcément le même que celui des humains. Les composés organiques peuvent les affecter différemment - la plupart des gens ont des composés organiques dans la maison ou le garage qui sont toxiques pour les chiens.

Ibuprofène—Cet anti-inflammatoire non stéroïdien (AINS) peut aider à soulager la douleur causée par les maux de tête d'une personne, mais s'il est ingéré par un chien, il peut causer des problèmes d'estomac et de reins chez l'animal. Il peut également altérer le système nerveux du chien, entraînant une dépression et des convulsions.

Acétaminophène : bien qu'il s'agisse d'un analgésique courant pour les humains, ce médicament peut provoquer une insuffisance hépatique, un gonflement du visage et des pattes et un problème de transport de l'oxygène dans le sang chez un chien. Si un chien ingère de l'acétaminophène, il devra probablement être hospitalisé.

Chocolat—Deux composés toxiques dans le chocolat sont la théobromine et la caféine. La théobromine se trouve dans les bonbons, le thé et les boissons au cola. Étant donné que les chiens et les chatons métabolisent ce composé très lentement, il peut rester dans leur corps assez longtemps pour provoquer des nausées, des vomissements, de la diarrhée et une augmentation de la miction. Selon la quantité de chocolat que l'animal a ingéré, cela peut également provoquer des convulsions, des saignements internes, des crises cardiaques et éventuellement la mort. La caféine contenue dans le café, le thé et les boissons au cola peut entraîner des vomissements, de la diarrhée, des tremblements, des arythmies cardiaques et des convulsions chez les animaux de compagnie. Remarquez à quel point la structure moléculaire de la théobromine est similaire à celle de la caféine.

La complexité des molécules organiques

Bien que de nombreux types d'atomes puissent faire partie d'une molécule organique, seuls quelques-uns sont couramment trouvés. L'hydrogène (H) et l'oxygène (O) sont presque toujours présents. L'azote (N), le soufre (S) et le phosphore (P) sont également très importants dans des types spécifiques de molécules organiques.

Une énorme variété de molécules organiques est possible, car le carbone est capable (1) de se lier à quatre endroits différents, (2) de former de longues chaînes et anneaux et (3) de se combiner avec de nombreux autres types d'atomes. Les types d'atomes dans la molécule sont importants pour déterminer les propriétés de la molécule. L'arrangement tridimensionnel des atomes au sein de la molécule est également important. Parce que la plupart des molécules inorganiques sont petites et impliquent peu d'atomes, un groupe d'atomes peut généralement être arrangé d'une seule manière pour former une molécule. Il n'y a qu'un seul arrangement pour un seul atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène dans une molécule d'eau. Dans une molécule d'acide sulfurique, il n'y a qu'un seul arrangement pour l'atome de soufre, les deux atomes d'hydrogène et les quatre atomes d'oxygène.

Cependant, considérons ces deux molécules organiques :

L'éther diméthylique et l'alcool éthylique contiennent tous deux deux atomes de carbone, six atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène, mais ils sont très différents dans la disposition de leurs atomes et dans les propriétés chimiques des molécules. Le premier est un éther le second est un alcool. Parce que l'éther et l'alcool ont le même nombre et le même genre d'atomes, on dit qu'ils ont la même formule empirique, qui dans ce cas peut s'écrire C2H6O. Une formule empirique indique simplement le nombre de chaque type d'atome dans la molécule. L'arrangement des atomes et leur liaison au sein de la molécule sont indiqués dans une formule structurelle. La figure 3.6 montre plusieurs formules structurelles pour la formule empirique C6H12O6. Les molécules qui ont la même formule empirique mais des formules structurelles différentes sont appelées isomères.

FIGURE 3.6. Formules structurelles pour plusieurs hexoses

Trois sucres à 6 carbones - les hexoses (hex = 6 -ose = sucre) - sont représentés ici. Tous ont la même formule empirique (C6H12O6), mais chacun a une formule structurelle différente. Ces trois sont appelés isomères de structure. Les isomères structuraux ont des propriétés chimiques différentes les uns des autres.

Le squelette du carbone et les groupes fonctionnels

Au cœur de toutes les molécules organiques se trouve un squelette carboné, composé d'anneaux ou de chaînes (parfois ramifiées) de carbone. C'est ce squelette carboné qui détermine la forme globale de la molécule. Les différences entre les divers types de molécules organiques sont déterminées par trois facteurs : (1) la longueur et la disposition du squelette carboné, (2) les types et l'emplacement des atomes qui y sont attachés, et (3) la façon dont ces atomes attachés sont combiné. Ces combinaisons spécifiques d'atomes, appelées groupes fonctionnels, se retrouvent fréquemment sur les molécules organiques. Le type de groupes fonctionnels attachés à un squelette carboné détermine les propriétés chimiques spécifiques de cette molécule. En apprenant à reconnaître certains des groupes fonctionnels, vous pouvez identifier une molécule organique et prédire quelque chose sur son activité. La figure 3.7 montre certains des groupes fonctionnels qui sont importants dans l'activité biologique. Rappelez-vous qu'un groupe fonctionnel n'existe pas par lui-même, il fait partie d'une molécule organique. Perspectives 3.1 explique comment les chimistes et les biologistes schématisent les types de liaisons formées dans les molécules organiques.

FIGURE 3.7. Groupes fonctionnels

Ce sont quelques-uns des groupes d'atomes qui s'attachent fréquemment à un squelette carboné. La nature du composé organique change à mesure que la nature du groupe fonctionnel change d'une molécule à l'autre.

Macromolécules de vie

Les macromolécules (macro = grand) sont de très grosses molécules organiques. Nous examinerons quatre types importants de macromolécules : les glucides, les protéines, les acides nucléiques et les lipides. Les glucides, les protéines et les acides nucléiques sont tous des polymères (poly = plusieurs mers = segments). Les polymères sont des combinaisons de nombreux blocs de construction similaires plus petits appelés monomères (mono = simple) liés ensemble (figure 3.8).

FIGURE 3.8. Niveaux d'organisation chimique

À la suite de la liaison d'unités spécifiques de matière de manière spécifique, des molécules d'une taille et d'une complexité énormes sont créées.

Bien que les lipides soient des macromolécules, ce ne sont pas des polymères. Un polymère est similaire à un collier de perles ou à une chaîne d'ancre de bateau. Tous les polymères sont constitués de segments similaires (perles ou maillons) accrochés ensemble pour former un grand produit (collier ou chaîne d'ancre).

Les monomères d'un polymère sont généralement combinés par une réaction de synthèse par déshydratation (de = remove hydro = water lysis = combine). Cette réaction se produit lorsque deux molécules plus petites se rapprochent suffisamment pour qu'un -OH soit retiré de l'une et un -H de l'autre. Ceux-ci sont combinés pour former une nouvelle molécule d'eau (H2O), et les deux segments restants sont combinés pour former la macromolécule.

La figure 3.9a montre l'élimination de l'eau entre deux monomères. Notez que, dans ce cas, les formules structurelles sont utilisées pour aider à identifier où cela se produit. L'équation chimique indique également l'élimination de l'eau. Vous pouvez facilement reconnaître une réaction de synthèse par déshydratation, car le côté réactif de l'équation montre de nombreuses petites molécules, tandis que le côté produit répertorie moins de produits plus gros et d'eau.

L'inverse d'une réaction de synthèse de déshydratation est connu sous le nom d'hydrolyse (hydro = lyse de l'eau = diviser ou casser). L'hydrolyse est le processus de division d'une molécule organique plus grosse en deux ou plusieurs composants en ajoutant de l'eau (figure 3.9b). La digestion des molécules alimentaires dans l'estomac est un exemple d'hydrolyse.

Vous avez probablement remarqué que l'esquisse de la formule structurelle complète d'une grosse molécule organique prend beaucoup de temps. Si vous connaissez la structure des principaux groupes fonctionnels, vous pouvez utiliser plusieurs raccourcis pour décrire plus rapidement les structures chimiques. Lorsque plusieurs carbones avec 2 hydrogènes sont liés les uns aux autres dans une chaîne, cela s'écrit parfois comme suit :

Plus simplement, il peut s'écrire (—CH2—)12. Si les 12 carbones étaient dans une paire de deux anneaux, nous n'étiqueterions probablement pas les carbones ou les hydrogènes à moins que nous ne voulions nous concentrer sur un groupe ou un point particulier. Nous dessinerions probablement les deux anneaux à 6 carbones avec seulement de l'hydrogène attaché comme suit :

Ne vous laissez pas abattre par ces raccourcis. Vous découvrirez bientôt que vous allez mettre un groupe -H sur un squelette carboné et négliger de montrer la liaison entre l'oxygène et l'hydrogène. Les formules structurelles sont régulièrement incluses dans la notice de la plupart des médicaments.

1. Quelle est la différence entre les molécules inorganiques et organiques ?

2. Quelles sont les deux caractéristiques de la molécule de carbone qui la rendent unique ?

3. Diagramme un exemple des groupes fonctionnels suivants : amino, alcool, carboxyle.

4. Décrivez cinq groupes fonctionnels.

5. Citez trois monomères et les polymères qui peuvent être construits à partir d'eux.

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Fixation du carbone

Avant de commencer, voici un rappel d'où nous nous sommes arrêtés : comment fonctionnent les réactions lumineuses, et les produits qu'elles génèrent qui sont essentiels pour le cycle de Calvin <<NB : il y a une erreur à partir de 10h15. Le porteur d'électrons de haute énergie dans les chloroplastes est le NADPH, pas le NADH. -jpm>> :

Et voici l'introduction à où nous allons :

Où les plantes obtiennent-elles leur biomasse ?

Jan Baptiste van Helmont a réalisé une expérience célèbre où il a planté un jeune saule dans un pot avec exactement 200 livres de terre, largement couvert à l'exception des trous pour l'arrosage. Après 5 ans d'arrosage, il a enlevé et pesé l'arbre et la terre laissée dans le pot, après avoir soigneusement récupéré la terre accrochée aux racines. Il a constaté que le poids de l'arbre avait augmenté de 75,4 kg, mais que le sol n'avait perdu que 57 g. Il a conclu, raisonnablement mais à tort, que la majeure partie de la masse de l'arbre provenait de l'eau.
Mais l'eau ne contient pas d'atomes de carbone. La biomasse de l'arbre, constituée en grande partie de glucides (cellulose, lignine, etc.), provient du dioxyde de carbone :

C O2 + 12H2 O –> C 6H12O6 + 6 O 2 + 6 H2O

Seuls les atomes d'hydrogène des molécules d'eau contribuent à la biomasse.

Cette vidéo explique le fonctionnement de ce processus (fixation du carbone) dans le cycle de Calvin :

Comment sait-on comment fonctionne la fixation du carbone ? Voici comment Calvin, Benson et amp Bassham ont élaboré la fixation du carbone :

Calvin et ses collègues ont utilisé le 14CO2 radioactif pour déterminer quels sont les premiers produits de fixation du carbone par une culture d'algues. Dans les 10 minutes qui ont suivi l'injection de 14CO2, de nombreux types de molécules organiques ont été marqués radioactivement. À des temps plus courts, jusqu'à quelques secondes, ils ont découvert que le premier produit de la fixation du carbone était un sucre à 3 carbones, le 3-phosphoglycérate (3-PG), marqué au niveau du groupe carboxyle.

3-phosphoglycérate, de Wikipedia

En utilisant l'ATP et le NADPH des réactions lumineuses, le 3-PG est réduit en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Deux molécules de G3P peuvent former spontanément une molécule de glucose (la première partie énergétiquement ascendante de la glycolyse s'écoulant à l'envers).

Cependant, ils ont d'abord été incapables d'identifier une molécule à 2 carbones qui pourrait se lier au CO2 pour former le 3-PG. Ils en ont déduit qu'il s'agissait d'un processus cyclique, car à des périodes plus longues, les autres carbones du 3-PG étaient marqués. Cette figure montre un modèle de leurs premières conclusions :

Modèle résumant les résultats initiaux de Calvin et de ses collègues

Sur la base de ce modèle, Calvin et ses collègues ont prédit que, dans l'obscurité, le 3PG s'accumulerait car aucun ATP ou NADPH ne serait fabriqué, et tous les autres intermédiaires du cycle diminueraient car ils seraient finalement convertis en 3PG. Par contre, en l'absence de CO2, quelle que soit la molécule qui accepte le CO2, augmenterait, car tous les autres intermédiaires du cycle seraient convertis en ce composé accepteur.

Le composé accepteur s'est avéré être un sucre phosphate à 5 carbones, le ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). L'enzyme Rubisco (RuBP carboxylase/oxygénase) attache le CO2 à la RuBP pour former un intermédiaire à 6 carbones hautement instable qui se décompose immédiatement en 2 sucres à 3 carbones, 3PG.

  • Toutes les 3 molécules de CO2 fixées par Rubisco produisent 6 molécules de 3PG.
  • La conversion de 6 molécules de 3PG en 6 molécules de G3P consomme 6 ATP et 6 NADPH.
  • Une molécule de G3P sort du cycle, laissant 5 molécules de G3P (15 atomes de carbone)
  • Les 5 molécules de G3P subissent une série de réarrangements pour former 3 molécules de ribulose-5-phosphate (15 atomes de carbone)
  • La phosphorylation de 3 molécules de ribulose-5-phosphate pour restaurer 3 molécules de ribulose-1,5-bisphosphate consomme 3 ATP de plus
  • net : 3 CO2 fixés pour fabriquer 1 molécule de G3P, consommant 6 NADPH et 9 ATP
  • 2 molécules de G3P se combinent pour former 1 molécule de glucose

Les produits du cycle de Calvin sont exportés du chloroplaste pour fournir de l'énergie à la respiration cellulaire et du carbone organique pour les voies de biosynthèse afin de construire tous les éléments constitutifs des molécules cellulaires.

Si vous souhaitez plus d'informations, voici le screencast de 35 minutes du Dr Choi sur le cycle de Calvin et la photosynthèse C4 (cette vidéo comprend des segments plus courts extraits ci-dessus)


2.1 Matière et Composés Organiques

Si vous regardez votre main, que voyez-vous ? Euh, ta main ? PAS la réponse que je cherche. PEAU! On y va. Vous voyez la peau, qui se compose de cellules. Mais de quoi sont faites les cellules de la peau ? Comme toutes les cellules vivantes, elles sont constituées de matière. En fait, toutes choses sont faites de matière. Question est tout ce qui occupe de l'espace et a une masse (la quantité de matière dans un objet). La matière, à son tour, est constituée de substances chimiques. Dans cette leçon, vous découvrirez les substances chimiques qui composent les êtres vivants.

Substances chimiques

Une substance chimique est une matière qui a une composition. Il a également la même composition partout. Une substance chimique peut être soit un élément, soit un composé.

Éléments

Un élément est une substance pure. Il ne peut pas être décomposé en d'autres types de substances. Chaque élément est composé d'un seul type d'atome. Un atome est la plus petite particule d'un élément qui a encore les propriétés de cet élément.

Il y a près de 120 éléments connus. Comme vous pouvez le voir de Chiffre ci-dessous, la majorité des éléments sont des métaux. Des exemples de métaux sont le fer (Fe) et le cuivre (Cu). Les métaux sont brillants et bons conducteurs d'électricité et de chaleur. Les éléments non métalliques sont beaucoup moins nombreux. Ils comprennent l'hydrogène (H) et l'oxygène (O). Ils n'ont pas les propriétés des métaux.

Composés

UNE composé est une substance constituée de deux éléments ou plus. Un composé a une composition unique qui est toujours la même. La plus petite particule d'un composé s'appelle une molécule. Prenons l'eau comme exemple. Une molécule d'eau contient toujours un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. La composition de l'eau est exprimée par la formule chimique H2O. Un modèle d'une molécule d'eau est montré dans Chiffre au dessous de.

Qu'est-ce qui fait que les atomes d'une molécule d'eau « collent » ensemble ? La réponse est les liaisons chimiques. UNE liaison chimique est une force qui maintient les molécules ensemble. Des liaisons chimiques se forment lorsque des substances réagissent entre elles. UNE réaction chimique est un processus qui transforme certaines substances chimiques en d'autres. Une réaction chimique est nécessaire pour former un composé. Une autre réaction chimique est nécessaire pour séparer les substances d'un composé.

L'importance du carbone

Un composé trouvé principalement dans les êtres vivants est connu comme un composé organique. Les composés organiques constituent les cellules et autres structures des organismes et exécutent les processus vitaux. Le carbone est l'élément principal des composés organiques, donc le carbone est essentiel à la vie sur Terre. Sans carbone, la vie telle que nous la connaissons ne pourrait pas exister. Pourquoi le carbone est-il si essentiel à la vie ? La raison en est la capacité du carbone à former des liaisons stables avec de nombreux éléments, y compris lui-même. Cette propriété permet au carbone de former une grande variété de molécules très grandes et complexes. En fait, il y a près de 10 millions de composés à base de carbone dans les êtres vivants ! Cependant, les millions de composés organiques peuvent être regroupés en quatre types principaux : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques. Vous pouvez comparer les quatre types ci-dessous. Chaque type est également décrit ci-dessous.

Type de composé Exemples Éléments Les fonctions
Les glucides sucres, amidons carbone, hydrogène, oxygène fournit de l'énergie aux cellules, stocke l'énergie, forme des structures corporelles
Lipides graisses, huiles carbone, hydrogène, oxygène emmagasine de l'énergie, forme des membranes cellulaires, véhicule des messages
Protéines enzymes, anticorps carbone, hydrogène, oxygène, azote, soufre aide les cellules à garder leur forme, maquille les muscles, accélère les réactions chimiques, véhicule des messages et des matériaux
Acides nucléiques ADN, ARN carbone, hydrogène, oxygène, azote, phosphore contient des instructions pour les protéines, transmet les instructions des parents à la progéniture, aide à fabriquer des protéines

De l'énergie à partir du carbone ?

Cela peut ressembler à du gaspillage, mais pour certaines personnes, c'est de l'énergie verte.

Les glucides

Note : Il y a une brève mention de l'évolution vers la fin (pourquoi les humains aiment le sucre).

Glucides par Bozeman Science :

TEDED : Quel est l'impact des glucides sur votre santé ?

Les glucides

Les glucides sont le type de composé organique le plus courant. UNE glucides est un composé organique tel que le sucre ou l'amidon, et est utilisé pour stocker de l'énergie. Comme la plupart des composés organiques, les glucides sont constitués de petites unités répétitives qui forment des liaisons les unes avec les autres pour former une molécule plus grosse. Dans le cas des glucides, les petites unités répétitives sont appelées monosaccharides.

Monosaccharides

UNE monosaccharide (mon-oe-sack-uh-ride) est un sucre simple comme le fructose ou le glucose. Le fructose se trouve dans les fruits, tandis que le glucose résulte généralement de la digestion d'autres glucides. Le glucose est utilisé comme énergie par les cellules de la plupart des organismes.

Polysaccharides

UNE polysaccharide est un glucide complexe qui se forme lorsque des sucres simples se lient en chaîne. Les polysaccharides peuvent ne contenir que quelques sucres simples ou des milliers d'entre eux. Les glucides complexes ont deux fonctions principales : stocker l'énergie et former les structures des êtres vivants. Quelques exemples de glucides complexes et de leurs fonctions sont présentés dans Table au dessous de. Quel type de glucides complexes votre propre corps utilise-t-il pour stocker de l'énergie ?

Une pomme de terre stocke de l'amidon dans des tubercules souterrains.

Un être humain stocke du glycogène dans les cellules du foie.

Les plantes utilisent de la cellulose pour leurs parois cellulaires.

Une mouche domestique utilise la chitine pour son exosquelette.

KQED : Biocarburants : du sucre à l'énergie

Pendant des années, il y a eu un buzz - à la fois positif et négatif - sur la production d'éthanol à partir de maïs. Mais grâce aux récents développements, la région de la baie de Californie est en train de devenir rapidement un centre mondial pour la prochaine génération de carburants alternatifs verts. Le Joint BioEnergy Institute développe des méthodes pour isoler les biofeuls des sucres de la cellulose. Voir la vidéo Biocarburants : au-delà de l'éthanol ci-dessous pour plus d'informations. Remarque : cette vidéo dit que les scientifiques utilisent l'évolution en forçant des mutations.

UNE lipide est un composé organique tel que la graisse ou l'huile. Les organismes utilisent les lipides pour stocker de l'énergie, mais les lipides ont également d'autres rôles importants. Les lipides sont constitués d'unités répétitives appelées acides gras. Il existe deux types d'acides gras : les acides gras saturés et les acides gras insaturés.

Les acides gras saturés

Dans les acides gras saturés, les atomes de carbone sont liés à autant d'atomes d'hydrogène que possible. Cela amène les molécules à former des chaînes droites, comme indiqué dans Chiffre au dessous de. Les chaînes droites peuvent être emballées très étroitement, ce qui leur permet de stocker de l'énergie sous une forme compacte. Cela explique pourquoi les acides gras saturés sont solides à température ambiante (comme le beurre !). Les animaux utilisent des acides gras saturés pour stocker de l'énergie.

Les acides gras ne ressemblent-ils pas à des chenilles grasses ? Je dis juste.

Acides gras insaturés

Dans acides gras insaturés, certains atomes de carbone ne sont pas liés à autant d'atomes d'hydrogène que possible. Au lieu de cela, ils sont liés à d'autres groupes d'atomes. Partout où le carbone se lie à ces autres groupes d'atomes, il provoque la flexion des chaînes (voir Chiffre dessus). Les chaînes courbées ne peuvent pas être très serrées, les acides gras insaturés sont donc liquides à température ambiante (comme l'huile d'olive). Les plantes utilisent des acides gras insaturés pour stocker de l'énergie. Quelques exemples sont présentés dans Chiffre au dessous de.

Types de lipides

Les lipides peuvent être constitués uniquement d'acides gras, ou ils peuvent également contenir d'autres molécules. Par exemple, certains lipides contiennent des groupes alcool ou phosphate. Ils comprennent

  1. triglycérides : (tri-glis-er-rides) la principale forme d'énergie stockée chez les animaux
  2. phospholipides : (foss-foe-lip-ids) les principaux composants des membranes cellulaires
  3. stéroïdes : servent de messagers chimiques et ont d'autres rôles

Protéines

UNE protéine est un composé organique composé de petites molécules appelées acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents que l'on trouve couramment dans les protéines des êtres vivants. Les petites protéines peuvent contenir quelques centaines d'acides aminés, tandis que les grosses protéines peuvent contenir des milliers d'acides aminés. Cela ne me donne-t-il pas l'air intelligent d'utiliser le mot " ? Je pensais que je le ferais remarquer, au cas où vous ne l'auriez pas remarqué.

Soit dit en passant, le corps humain peut synthétiser tous les acides aminés nécessaires à la construction des protéines, à l'exception de 10 appelés « acides aminés essentiels ». Un humain doit obtenir ces 10 acides aminés essentiels d'une alimentation saine. Si vous ne parvenez pas à obtenir ne serait-ce qu'UN des 10 acides aminés essentiels, il peut y avoir des implications très graves pour la santé comme la perte musculaire, la fatigue, la faiblesse, l'augmentation des niveaux de stress et d'anxiété, une diminution de la réponse immunitaire et des changements dans la texture des cheveux et de la peau.

Maintenant, va préparer à manger et dis à ta mère que c'est pour la science.

Structure des protéines

Lorsque les acides aminés se lient, ils forment une longue chaîne appelée polypeptide. Une protéine est constituée d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Une protéine peut avoir jusqu'à quatre niveaux de structure. Le niveau le plus bas, la structure primaire d'une protéine, est sa séquence d'acides aminés. Des niveaux plus élevés de structure protéique sont décrits dans Chiffre au dessous de. Les structures complexes des différentes protéines leur confèrent des propriétés uniques dont elles ont besoin pour accomplir leurs diverses tâches dans les organismes vivants. Vous pouvez en savoir plus sur la structure des protéines en regardant l'animation sur le lien ci-dessous. http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/proteins/protein%20structure.swf

Fonctions des protéines

Les protéines jouent de nombreux rôles importants dans les êtres vivants. Certaines protéines aident les cellules à conserver leur forme et d'autres constituent les tissus musculaires. De nombreuses protéines accélèrent les réactions chimiques dans les cellules. D'autres protéines sont des anticorps, qui se lient à des substances étrangères telles que des bactéries et les ciblent pour la destruction. D'autres protéines encore véhiculent des messages ou des matériaux. Par exemple, les globules rouges humains contiennent une protéine appelée hémoglobine, qui se lie à l'oxygène. L'hémoglobine permet au sang de transporter l'oxygène des poumons vers les cellules de tout le corps. Un modèle de la molécule d'hémoglobine est montré dans Chiffre au dessous de.

Une courte vidéo décrivant la fonction des protéines peut être visionnée sur http://www.youtube.com/watch?v=T500B5yTy58 (4:02).

Acides nucléiques (nouvelle argile)

Voici une vidéo amusante qui explique les biomolécules :

Voici une vidéo qui explique les acides nucléiques (il y a une brève mention de l'évolution):

Si ça va avec tes parents, tu peux essayer un jeu où tu apprends et conçois des molécules d'ARN. L'adresse Internet est :

Assurez-vous que votre parent sait qu'il y a une boîte de discussion sur le site. La boîte de discussion n'est pas accessible pour saisir, sauf si vous vous connectez. Vous ne pas devez vous connecter pour jouer aux premiers niveaux.

UNE acide nucléique est un composé organique, tel que l'ADN ou l'ARN, qui est constitué de petites unités appelées nucléotides. De nombreux nucléotides se lient pour former une chaîne appeléepolynucléotide. L'acide nucléique ADN (acide désoxyribonucléique) est constitué de deux chaînes polynucléotidiques. L'acide nucléique ARN (acide ribonucléique) se compose d'une seule chaîne polynucléotidique.

Structure des acides nucléiques

Chaque nucléotide est constitué de trois molécules plus petites :

Si vous regardez Chiffre ci-dessous, vous verrez que le sucre d'un nucléotide se lie au groupe phosphate du nucléotide suivant. Ces deux molécules alternent pour former le squelette de la chaîne nucléotidique. Les bases azotées d'un acide nucléique dépassent du squelette. Il existe quatre types de bases différents : la cytosine, l'adénine, la guanine et soit la thymine (dans l'ADN) soit l'uracile (dans l'ARN). Dans l'ADN, des liaisons se forment entre les bases sur les deux chaînes nucléotidiques et maintiennent les chaînes ensemble. Chaque type de base se lie à un seul autre type de base : la cytosine se lie toujours à la guanine et l'adénine se lie toujours à la thymine. Ces paires de bases sont appelées paires de bases complémentaires.

Voici une astuce pour vous aider à vous rappeler quelles bases s'associent : les Cool G uys se serrent les coudes ! (cytosine et guanine) Cela laisse l'adénine et la thymine et leurs premières lettres épellent le mot AT .

La liaison de bases complémentaires permet aux molécules d'ADN de prendre leur forme bien connue, appelée double hélice, qui est montré dans Chiffre au dessous de. Une double hélice est comme un escalier en colimaçon. La forme en double hélice se forme naturellement et est très résistante, ce qui rend les deux chaînes polynucléotidiques difficiles à séparer. La structure de l'ADN sera discutée plus en détail dans le chapitre Génétique moléculaire : de l'ADN aux protéines.

Une animation de la structure de l'ADN peut être visionnée sur http://www.youtube.com/watch?v=qy8dk5iS1f0.

Rôles des acides nucléiques

L'ADN se trouve dans les gènes et sa séquence de bases constitue un code. Entre « starts » et « stops », le code contient des instructions pour la séquence correcte d'acides aminés dans une protéine (voir Chiffre dessus). L'ARN utilise les informations contenues dans l'ADN pour assembler les bons acides aminés et aider à fabriquer la protéine. L'information contenue dans l'ADN est transmise des cellules mères aux cellules filles chaque fois que les cellules se divisent. L'information contenue dans l'ADN est également transmise des parents à la progéniture lorsque les organismes se reproduisent. C'est ainsi que les caractéristiques héritées sont transmises d'une génération à l'autre.

Résumé de la leçon

  • Les êtres vivants sont constitués de matière, qui peut être un élément ou un composé. Un composé se compose de deux éléments ou plus et se forme à la suite d'une réaction chimique.
  • La capacité unique du carbone à former des liaisons chimiques lui permet de former des millions de différents grands composés organiques. Ces composés constituent les êtres vivants et exécutent des processus vitaux.
  • Les glucides sont des composés organiques tels que les sucres et les amidons. Ils fournissent de l'énergie et forment des structures telles que les parois cellulaires.
  • Les lipides sont des composés organiques tels que les graisses et les huiles. Ils stockent de l'énergie et aident à former les membranes cellulaires en plus d'avoir d'autres fonctions dans les organismes.
  • Les protéines sont des composés organiques constitués d'acides aminés. Ils forment des muscles, accélèrent les réactions chimiques et remplissent de nombreuses autres fonctions cellulaires.
  • Les acides nucléiques sont des composés organiques qui comprennent l'ADN et l'ARN. L'ADN contient des instructions génétiques pour les protéines et l'ARN aide à assembler les protéines.

Questions de révision de la leçon

Rappeler

1. Que sont les éléments et les composés ? Donnez un exemple de chaque.

2. Énumérez les quatre principaux types de composés organiques.

3. Qu'est-ce qui détermine la structure primaire d'une protéine ?

4. Citez deux fonctions des protéines.

5. Identifie les trois parties d'un nucléotide.

Appliquer les concepts

6. Le beurre est une matière grasse solide à température ambiante. Quel type d'acides gras le beurre contient-il ? Comment savez-vous?

7. Supposons que vous essayez d'identifier une molécule organique inconnue. Il ne contient que du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène et se trouve dans les parois cellulaires d'une espèce végétale nouvellement découverte. De quel type de composé organique s'agit-il ?

Pense de façon critique

8. Expliquez pourquoi le carbone est essentiel à toute vie connue sur Terre.

9. Comparez et contrastez les structures et les fonctions des sucres simples et des glucides complexes.

10. Explique pourquoi les molécules d'acides gras saturés et insaturés ont des formes différentes.

Points à considérer

Les grands composés organiques sont constitués de nombreuses unités plus petites qui sont liées entre elles en chaînes.


Biologie 171

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire le cycle de Calvin
  • Définir la fixation du carbone
  • Expliquer comment fonctionne la photosynthèse dans le cycle énergétique de tous les organismes vivants

Une fois que l'énergie du soleil est convertie en énergie chimique et stockée temporairement dans les molécules d'ATP et de NADPH, la cellule dispose du carburant nécessaire pour construire des molécules de glucides pour le stockage d'énergie à long terme. Les produits des réactions dépendantes de la lumière, l'ATP et le NADPH, ont des durées de vie de l'ordre de quelques millionièmes de secondes, tandis que les produits des réactions indépendantes de la lumière (glucides et autres formes de carbone réduit) peuvent survivre presque indéfiniment. Les molécules de glucides fabriquées auront une épine dorsale d'atomes de carbone. Mais d'où vient le carbone ? Il provient du dioxyde de carbone, le gaz qui est un déchet de la respiration des microbes, des champignons, des plantes et des animaux.

Le cycle de Calvin

Dans les plantes, le dioxyde de carbone (CO2) pénètre dans les feuilles par les stomates, où il diffuse sur de courtes distances à travers les espaces intercellulaires jusqu'à ce qu'il atteigne les cellules du mésophylle. Une fois dans les cellules du mésophylle, le CO2 diffuse dans le stroma du chloroplaste, le site des réactions de photosynthèse indépendantes de la lumière. Ces réactions ont en fait plusieurs noms qui leur sont associés. Un autre terme, le cycle de Calvin, porte le nom de l'homme qui l'a découvert, et parce que ces réactions fonctionnent comme un cycle. D'autres l'appellent le cycle de Calvin-Benson pour inclure le nom d'un autre scientifique impliqué dans sa découverte. Le nom le plus obsolète est « réaction sombre », car la lumière n'est pas directement requise ((Figure)). Cependant, le terme réaction sombre peut être trompeur car il implique à tort que la réaction ne se produit que la nuit ou est indépendante de la lumière, c'est pourquoi la plupart des scientifiques et des instructeurs ne l'utilisent plus.

Les réactions indépendantes de la lumière du cycle de Calvin peuvent être organisées en trois étapes fondamentales : fixation, réduction et régénération.

Étape 1 : Fixation

Dans le stroma, en plus du CO2,deux autres composants sont présents pour initier les réactions indépendantes de la lumière : une enzyme appelée ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO) et trois molécules de ribulose bisphosphate (RuBP), comme le montre la (Figure). RuBP a cinq atomes de carbone, flanqués de deux phosphates.

Laquelle des affirmations suivantes est vraie?

  1. Dans la photosynthèse, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'ATP et le NADPH sont des réactifs. Le GA3P et l'eau sont des produits.
  2. Dans la photosynthèse, la chlorophylle, l'eau et le dioxyde de carbone sont des réactifs. Le GA3P et l'oxygène sont des produits.
  3. Dans la photosynthèse, l'eau, le dioxyde de carbone, l'ATP et le NADPH sont des réactifs. RuBP et l'oxygène sont des produits.
  4. Dans la photosynthèse, l'eau et le dioxyde de carbone sont des réactifs. Le GA3P et l'oxygène sont des produits.

RuBisCO catalyse une réaction entre le CO2 et RuBP. Pour chaque CO2 molécule qui réagit avec une RuBP, deux molécules d'un autre composé se forment l'acide 3-phospho glycérique (3-PGA). PGA a trois carbones et un phosphate. Chaque tour du cycle implique seulement un RuBP et un dioxyde de carbone et forme deux molécules de 3-PGA. Le nombre d'atomes de carbone reste le même, car les atomes se déplacent pour former de nouvelles liaisons au cours des réactions (3 atomes de C de 3CO2 + 15 atomes C de 3RuBP = 18 atomes C dans 6 molécules de 3-PGA). Ce processus est appelé fixation du carbone , car le CO2 est «fixé» d'une forme inorganique en molécules organiques.

Étape 2 : Réduction

L'ATP et le NADPH sont utilisés pour convertir les six molécules de 3-PGA en six molécules d'un produit chimique appelé glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P). C'est une réaction de réduction car elle implique le gain d'électrons par le 3-PGA.(Rappelez-vous qu'une réduction est le gain d'un électron par un atome ou une molécule.) Six molécules d'ATP et de NADPH sont utilisées. Pour l'ATP, de l'énergie est libérée avec la perte de l'atome de phosphate terminal, le convertissant en ADP pour le NADPH, à la fois de l'énergie et un atome d'hydrogène sont perdus, le convertissant en NADP +. Ces deux molécules retournent dans les réactions dépendantes de la lumière à proximité pour être réutilisées et redynamisées.

Étape 3 : Régénération

Fait intéressant, à ce stade, une seule des molécules G3P quitte le cycle de Calvin et est envoyée dans le cytoplasme pour contribuer à la formation d'autres composés nécessaires à la plante. Parce que le G3P exporté du chloroplaste a trois atomes de carbone, il faut trois « tours » du cycle de Calvin pour fixer suffisamment de carbone net pour exporter un G3P. Mais chaque tour fait deux G3P, donc trois tours font six G3P. L'une est exportée tandis que les cinq molécules G3P restantes restent dans le cycle et sont utilisées pour régénérer RuBP, ce qui permet au système de se préparer à plus de CO2 à réparer. Trois autres molécules d'ATP sont utilisées dans ces réactions de régénération.

Parcourez le cycle de Calvin (animation Flash). Cliquez sur l'étape 1, l'étape 2, puis l'étape 3 pour voir G3P et ATP se régénérer pour former RuBP.

Photosynthèse Au cours de l'évolution de la photosynthèse, un changement majeur s'est produit du type bactérien de photosynthèse qui implique un seul photosystème et est généralement anoxygénique (ne génère pas d'oxygène) à la photosynthèse oxygénée moderne (génére de l'oxygène), utilisant deux photosystèmes. Cette photosynthèse oxygénée moderne est utilisée par de nombreux organismes, des feuilles tropicales géantes de la forêt tropicale humide aux minuscules cellules cyanobactériennes, et le processus et les composants de cette photosynthèse restent en grande partie les mêmes. Les photosystèmes absorbent la lumière et utilisent des chaînes de transport d'électrons pour convertir l'énergie en énergie chimique d'ATP et de NADH. Les réactions indépendantes de la lumière qui s'ensuivent assemblent ensuite des molécules de glucides avec cette énergie.

Dans la chaleur sèche et dure du désert, les plantes doivent conserver chaque goutte d'eau doit être utilisée pour survivre. Parce que les stomates doivent s'ouvrir pour permettre l'absorption de CO2, l'eau s'échappe de la feuille lors de la photosynthèse active. Les plantes du désert ont développé des processus pour conserver l'eau et faire face à des conditions difficiles. Mécanismes de capture et de stockage du CO2 permet aux plantes de s'adapter à vivre avec moins d'eau. Certaines plantes telles que les cactus ((Figure)) peuvent préparer des matériaux pour la photosynthèse pendant la nuit par un processus temporaire de fixation/stockage du carbone, car l'ouverture des stomates à ce moment permet de conserver l'eau en raison des températures plus fraîches. Pendant la journée, les cactus utilisent le CO capturé2 pour la photosynthèse et gardent leurs stomates fermés.

Le cycle énergétique

Que l'organisme soit une bactérie, une plante ou un animal, tous les êtres vivants accèdent à l'énergie en décomposant les glucides et autres molécules organiques riches en carbone. Mais si les plantes fabriquent des molécules de glucides, pourquoi auraient-elles besoin de les décomposer, surtout lorsqu'il a été démontré que les organismes gazeux libèrent en tant que « déchet » (CO2) agit comme un substrat pour la formation de plus de nourriture dans la photosynthèse ? N'oubliez pas que les êtres vivants ont besoin d'énergie pour remplir leurs fonctions vitales. De plus, un organisme peut soit fabriquer sa propre nourriture, soit manger un autre organisme. Dans tous les cas, la nourriture doit encore être décomposée. Enfin, lors du processus de décomposition des aliments, appelé respiration cellulaire, les hétérotrophes libèrent l'énergie nécessaire et produisent des « déchets » sous forme de CO.2 gaz.

Cependant, dans la nature, il n'y a pas de « déchet ». Chaque atome de matière et d'énergie est conservé, recyclé à l'infini. Les substances changent de forme ou passent d'un type de molécule à un autre, mais leurs atomes constitutifs ne disparaissent jamais ((Figure)).

En réalité, le CO2 n'est pas plus une forme de gaspillage que l'oxygène n'est un gaspillage pour la photosynthèse. Les deux sont des sous-produits de réactions qui passent à d'autres réactions. La photosynthèse absorbe l'énergie lumineuse pour produire des glucides
dans les chloroplastes, et la respiration cellulaire aérobie libère de l'énergie en utilisant de l'oxygène pour métaboliser les glucides dans le cytoplasme et les mitochondries. Les deux processus utilisent des chaînes de transport d'électrons pour capturer l'énergie nécessaire pour entraîner d'autres réactions. Ces deux processus puissants, la photosynthèse et la respiration cellulaire, fonctionnent en harmonie biologique et cyclique pour permettre aux organismes d'accéder à l'énergie vitale qui provient de millions de kilomètres de distance dans une étoile brûlante que les humains appellent le soleil.

Résumé de la section

Grâce aux vecteurs énergétiques formés lors des premières étapes de la photosynthèse, les réactions indépendantes de la lumière, ou cycle de Calvin, absorbent le CO2 de l'atmosphère. Une enzyme, RuBisCO, catalyse une réaction avec le CO2 et un autre composé organique, RuBP. Après trois cycles, une molécule à trois carbones de G3P quitte le cycle pour faire partie d'une molécule d'hydrate de carbone. Les molécules de G3P restantes restent dans le cycle pour être régénérées en RuBP, qui est alors prêt à réagir avec plus de CO2. La photosynthèse forme un cycle énergétique avec le processus de respiration cellulaire. Parce que les plantes contiennent à la fois des chloroplastes et des mitochondries, elles dépendent à la fois de la photosynthèse et de la respiration pour leur capacité à fonctionner à la fois dans la lumière et dans l'obscurité, et pour être capables d'interconvertir les métabolites essentiels.

Connexions artistiques

(Figure) Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

  1. Dans la photosynthèse, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'ATP et le NADPH sont des réactifs. G3P et l'eau sont des produits.
  2. Dans la photosynthèse, la chlorophylle, l'eau et le dioxyde de carbone sont des réactifs. Le G3P et l'oxygène sont des produits.
  3. Dans la photosynthèse, l'eau, le dioxyde de carbone, l'ATP et le NADPH sont des réactifs. RuBP et l'oxygène sont des produits.
  4. Dans la photosynthèse, l'eau et le dioxyde de carbone sont des réactifs. Le G3P et l'oxygène sont des produits.

Réponse libre

Pourquoi la troisième étape du cycle de Calvin est-elle appelée étape de régénération ?

Car RuBP, la molécule nécessaire au début du cycle, est régénérée à partir de G3P.

Quelle partie des réactions indépendantes de la lumière serait affectée si une cellule ne pouvait pas produire l'enzyme RuBisCO ?

Aucun cycle n'a pu avoir lieu, car RuBisCO est essentiel à la fixation du dioxyde de carbone. Plus précisément, RuBisCO catalyse la réaction entre le dioxyde de carbone et RuBP au début du cycle.

Pourquoi faut-il trois tours du cycle de Calvin pour produire G3P, le produit initial de la photosynthèse ?

Parce que G3P a trois atomes de carbone, et chaque tour du cycle prend un atome de carbone sous forme de dioxyde de carbone.

Imaginez un terrarium scellé contenant une plante et un scarabée. Comment chaque organisme fournit-il des ressources à l'autre ? Chaque organisme pourrait-il survivre s'il était le seul être vivant dans le terrarium ? Pourquoi ou pourquoi pas?

Un cycle énergétique entre une plante et un coléoptère serait le suivant :

  1. La plante consomme du dioxyde de carbone et libère de l'oxygène comme sous-produit de la photosynthèse
  2. Le scarabée consomme de l'oxygène et libère du dioxyde de carbone pour créer de l'énergie chimique pendant la respiration aérobie
  3. La plante absorbe le dioxyde de carbone de l'air
  4. Répéter le cycle

L'usine fournirait également une source de nourriture à base de carbone pour le coléoptère.

  1. Le coléoptère est un hétérotrophe et ne survivrait pas sans la plante car il épuiserait tout l'oxygène du terrarium.
  2. La plante est autotrophe et pourrait survivre sans le coléoptère, mais il est peu probable qu'elle se développe. Grâce à la photosynthèse, la plante peut fabriquer et stocker sa propre énergie dans des molécules à base de carbone et produire de l'oxygène. L'oxygène peut ensuite être utilisé pour alimenter la respiration aérobie dans la plante, qui libère du dioxyde de carbone. Cependant, étant donné que la plante continue essentiellement à réutiliser ses propres ressources en cyclant entre les voies consommatrices de carbone et d'oxygène, sa croissance serait limitée.

Comparez le flux d'énergie avec le flux de nutriments dans un écosystème fermé et ensoleillé composé d'une girafe et d'un arbre.

Dans l'écosystème défini, l'énergie rayonnerait du Soleil et serait absorbée par la chlorophylle des feuilles de l'arbre. La photosynthèse se produirait dans les feuilles, transformant l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans les liaisons covalentes des molécules de carbone. La girafe mangerait les feuilles de l'arbre et digérerait les molécules de carbone pour libérer de l'énergie.

Dans le même écosystème, les nutriments circuleraient entre l'arbre et la girafe. La girafe consommerait de l'oxygène et libérerait du dioxyde de carbone lorsque ses cellules effectueraient une respiration aérobie pour créer de l'énergie chimique. L'arbre consommera le dioxyde de carbone libéré pendant la photosynthèse pour créer sa propre énergie chimique stockée et libérera de l'oxygène comme sous-produit.

Glossaire


Acides nucléiques

Les acides nucléiques sont l'ADN et l'ARN, ou l'acide désoxyribonucléique et l'acide ribonucléique, respectivement. Ils fabriquent les protéines présentes dans presque toutes les structures et remplissent presque toutes les fonctions de votre corps. L'ADN a une forme en échelle tordue, tandis que l'ARN a de nombreuses formes différentes, selon sa fonction. L'ADN reste généralement dans le centre, ou le noyau, d'une cellule. L'ARN peut voyager à travers la cellule jusqu'à l'endroit où il est nécessaire. Les squelettes des deux substances sont constitués d'une alternance de molécules de phosphate et de sucre. Les bases nucléotidiques constituent les « échelons » attachés à l'épine dorsale. Des deux types d'acides nucléiques, l'ADN est plus stable, ce qui le rend moins susceptible d'être décomposé que l'ARN. Vos gènes sont constitués d'ADN, et chaque gène fournit le code pour fabriquer une protéine spécifique. L'ARN aide l'ADN à fabriquer ces protéines.


Activité facultative : Construction d'hydrocarbures

Un exemple d'éthane, d'éthène et d'éthyne construit avec des kits de modèles atomiques est donné dans l'image ci-dessous :

À l'aide de kits de modèles atomiques, construisez les molécules de méthane, de propane, de butane, de pentane et d'octane. Si vous n'avez pas de kits de modèles atomiques, les jelly tots (ou la pâte à modeler) et les cure-dents fonctionneront tout aussi bien. Utilisez une gelée de couleur pour les atomes de carbone et une pour les atomes d'hydrogène.

  • N'oubliez pas que les atomes de carbone doivent avoir quatre liaisons et que les atomes d'hydrogène ne peuvent en avoir qu'une. Vous devriez voir que tous ces composés ont une formule similaire, rappelez-vous qu'ils ont tous la formule générale ( ext_< exte> exte_<2 exte+2>) .
  • Quel est le nom de la série homologue à laquelle appartiennent toutes ces molécules ?

Construisez les molécules de prop-1-ène, but-1-ène, pent-1-ène et oct-1-ène. Utilisez deux cure-dents pour représenter une double liaison. Vous devriez voir que tous ces composés ont une formule similaire. N'oubliez pas qu'ils ont tous la formule générale ( ext_< exte> exte_<2 exte>) .

  • Essayez de placer la double liaison à différentes positions dans la molécule. Cela fait-il une différence par rapport au nombre total d'atomes de carbone et d'hydrogène dans la molécule ?
  • Quel est le nom de la série homologue à laquelle appartiennent toutes ces molécules ?

Construisez les molécules de prop-1-yne, but-1-yne, pent-1-yne et oct-1-yne. Utilisez trois cure-dents pour représenter une triple liaison. Vous devriez voir que tous ces composés ont une formule similaire. Rappelez-vous, ce sont tous des alcynes.


Voir la vidéo: Orgaanisia yhdisteryhmiä sekä molekyylien nimeämistä KE1 harjoitus (Janvier 2023).