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unpeudephysique · 6 years

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Chimie du vivant : les composants élémentaires

La chimie du vivant est un sujet passionnant. Et tout aussi passionnante est la quête des origines de la chimie du vivant. Nous sommes tous composés des mêmes atomes : du carbone, de l’azote, de l’oxygène, de l’hydrogène, une pincée de minéraux divers… Tous ces éléments, à l’exception de l’hydrogène issu directement du Big-bang, ont été forgés dans de lointaines étoiles et se sont dispersés lorsque celles-ci ont explosé (voir le post sur la nucléosynthèse). Ces matériaux sont ensuite recyclés dans de nouvelles étoiles. Lors de la formation de ces nouvelles étoiles, des grains de matière laissés pour compte par celles-ci s’agglutinent pour former des planètes (voir le post sur la formation du système solaire). Et parmi ces grains de matière se trouvent les atomes dont nous sommes formés. Pour citer la formule de Carl Sagan reprise par Hubert Reeves, nous sommes tous des poussières d’étoiles.

Dans le post précédent, nous avons rappelé quelques bases de la chimie : liaisons chimiques, réactions acide-base et oxydoréduction. Ce post sera consacré aux principales propriétés des éléments chimiques intervenant dans la chimie du vivant. Mais avant d’entrer dans le vif du sujet, quelques mots sur l’abondance de ces éléments dans l’Univers. Pourquoi parler de l’abondance des éléments dans l’Univers ? Tout simplement parce que si l’on met de côté l’hypothèse créationniste, l’abondance de ces éléments est un facteur décisif dans la probabilité d’émergence de cellules vivantes. Plus les éléments sont abondants, plus leur probabilité de réagir entre eux et de constituer des composés complexes est grande. Et si ces composés complexes sont eux aussi abondants, ils réagissent à leur tour entre eux pour former d’autres composés et ainsi de suite…

Abondance des éléments chimiques dans l’Univers

L’hydrogène (H) et l’hélium (He) sont de loin les éléments les plus abondants dans l’Univers. Ils sont tous deux issus de la nucléosynthèse primordiale. L’hydrogène représente 76% de la matière ordinaire (on parle de matière baryonique) et l’hélium 22%. Viennent ensuite la trilogie carbone (C), azote (N), oxygène (O). Ils représentent un peu moins de 1,5% de la matière présente dans l’Univers. C’est l’oxygène qui est le plus abondant (0,84%). Le carbone vient derrière avec 0,34% et l’azote avec 0,12%. Le magnésium (Mg), le silicium (Si), le soufre (S) et le fer (Fe) sont les minéraux les plus abondants mais à eux quatre ils ne représentent pas plus de 0,25% de la matière ordinaire (0,12% pour le fer et 0,07% pour le silicium). Le néon (Ne) est un peu plus abondant mais il ne joue pratiquement aucun rôle en chimie organique.

Tous ces éléments (C, N, O, Mg, Si, S, F, Ne) sont issus de la nucléosynthèse stellaire. Les autres éléments chimiques présents dans l’Univers (également issus de la nucléosynthèse stellaire) sont beaucoup moins abondants. Ils peuvent néanmoins intervenir de manière décisive dans la chimie du vivant, comme c’est le cas pour le calcium et le phosphore.

Eléments chimiques et valence

Nous avons présenté plus en détail la liaison covalente dans le post précédent. Elle est basée sur la mise en commun d’électrons par deux atomes. Cette mise en commun permet une « économie d’énergie ». L’énergie économisée est appelée énergie de liaison. L’énergie de liaison est l’énergie qu’il faudrait fournir à la molécule ainsi constituée pour libérer les atomes qui la composent.

Tous les éléments chimiques sont caractérisés par leur valence. La valence d’un atome est son aptitude à accepter une ou plusieurs liaisons covalentes. Certains atomes sont réfractaires à toute liaison covalente. Ils ont une valence nulle. C’est le cas par exemple de l’hélium. Autant dire que malgré sa relative abondance dans l’Univers il n’est d’aucune utilité pour la chimie du vivant.

Hydrogène

Symbole : H, numéro atomique : 1

L’hydrogène est l’élément le plus simple qui puisses exister : un proton, un électron. Ce n’est pas tout à fait vrai : on peut également le trouver sous la forme deutérium (un proton, un neutron et un électron) et tritium (un proton, deux neutrons et un électron) mais ces isotopes sont très rares.

C’est, de loin, l’élément le plus abondant dans l’Univers. Dans les nuages interstellaires et les nébuleuses il est surtout présent sous sa forme ionisée (H+) ou moléculaire (H2). C’est le carburant de base qui alimente les étoiles. Il constitue également la majeure partie des planètes gazeuses. Pour des raisons qui sont liées à leur processus de formation, il est beaucoup moins abondant dans les planètes telluriques.

L’hydrogène est monovalent : il ne peut avoir qu’une seule liaison covalente. C’est le cas par exemple dans la molécule dihydrogène H2 ou encore dans la molécule d’eau H2O. Il est donc impossible de construire une molécule complexe uniquement à partir de l’hydrogène. Ceci ne veut pas dire qu’il n’intervient pas dans la chimie du vivant. Au contraire : il est omniprésent. Il faut dire que c’est le bouche-trou idéal ! Il s’immisce partout… Son abondance dans l’univers fait d’ailleurs que les autres composants se trouvent rarement à l’état atomique au sein des nuages interstellaires ou dans les nébuleuses. On les y trouve souvent sous forme de composés hydrogénés : CH4 (méthane) pour le carbone, NH3 (ammoniac) pour l’azote, H2O (eau) pour l’oxygène.

Comme nous l’avons dit, l’hydrogène se trouve souvent sous la forme ionisée H+ (ou H3O+ lorsque celui-ci est dissous dans l’eau). C’est l’agent de base des réactions acide-base. Il existe également sous une forme ionisée négativement, H-, appelée hydrure. Dans ce cas, il est généralement associé à un métal : hydrure de sodium (NaH), hydrure de lithium (LiH)…

Oxygène

Symbole : O, numéro atomique : 8

L’oxygène est l’élément le plus abondant dans l’Univers après l’hydrogène et l’hélium. Il est présent dans les nuages interstellaires et les nébuleuses sous la forme O2 ou H2O. Il existe trois isotopes stables de l’oxygène : 16O, 17O, 18O. L’isotope le plus abondant est 16O.

L’oxygène est très présent sur Terre : il représente plus de 80% de la masse des océans (H2O), 45% de la croûte terrestre (sous forme d’oxydes et de silicates) et 23% de la masse de l’atmosphère (O2). On le trouve également sous la forme moléculaire O3 (ozone) dans la stratosphère. L’oxygène (ou plutôt le dioxygène O2) n’était pourtant pas présent dans l’atmosphère terrestre originelle. Il a été produit au cours du premier milliard d’années par photosynthèse, tout d’abord par les cyanobactéries puis par les algues et les végétaux.

L’oxygène est bivalent : il peut avoir deux liaisons covalentes simples comme c’est le cas dans la molécule H2O ou une liaison double comme dans la molécule CO2 (O=C=O). Mais il dispose également d’un doublet non liant ce qui lui permet de nouer une liaison covalente de coordination. Il a également un fort potentiel électronégatif ce qui en fait un point d’ancrage pour les liaisons hydrogène. (Pour tous les termes en caractères gras, se reporter au post sur les bases de la chimie.) Le caractère électronégatif de l’oxygène en fait un agent oxydant puissant. De fait, l’oxygène tout comme l’hydrogène s’invite dans de très nombreuses réactions chimiques.

Deux liaisons covalentes, c’est insuffisant pour construire une chaîne moléculaire à base d’oxygène mais l’oxygène joue un rôle essentiel dans la chimie du vivant. Notre corps est composé à plus de 60% d’atomes d’oxygène ! Nous verrons plus tard que c’est un composant clef des acides aminés, mais également des sucres qui sont notre « carburant ».

Carbone

Symbole : C, numéro atomique : 6

En termes d’abondance dans l’Univers, le carbone vient juste après l’oxygène. Dans les nuages interstellaires et les nébuleuses il est surtout présent sous forme de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Il existe trois isotopes naturels du carbone : 12C, 13C, 14C. L’isotope le plus abondant est 12C. Sur Terre, il n’occupe que le 15ème rang en abondance (charbon, oxydes de carbone, composés organiques et inorganiques).

Le carbone est tétravalent. Autrement dit, il peut s’associer simultanément à quatre autres atomes de valence non nulle. Les énergies de liaison correspondant à ces associations sont particulièrement intéressantes du point de vue de la chimie du vivant. Elles sont suffisantes pour assurer la stabilité des dérivés ainsi créés… et pas trop élevées pour permettre de multiples réactions chimiques entre ces dérivés. De fait, le carbone est à la base de chaînes dont la longueur défie l’entendement : l’ADN est une double chaîne en hélice comportant des dizaines de millions de molécules carbonées élémentaires ! Une chaîne carbonée comportant un ou plusieurs motifs porte le nom de polymère.

La chimie organique (propriétés chimiques et réactions des chaînes carbonées) est une branche à part entière de la chimie. Compte tenu de l’extrême diversité des composés organiques, on a été amené à introduire une classification tenant compte de leurs propriétés. Pour ne pas alourdir cet exposé, nous ne citerons que quatre types de composés organiques :

Un hydrocarbure est un composé organique ne comportant que des atomes de carbone et d’hydrogène. Exemple : le kérosène C10H22. Un hydrocarbure aromatique est un hydrocarbure comportant au moins un cycle benzénique (6 atomes de carbone formant une chaîne hexagonale).

Un alcool est un composé organique dont l’un des atomes de carbone est porteur d’un groupe hydroxyle (-OH). L’éthanol par exemple, CH3-CH2-OH, est l’alcool qui est à la base de nos boissons alcoolisées.

Un acide carboxylique est un composé organique comportant un groupe carboxyle (-COOH). Un groupe carboxyle est composé d’un atome de carbone lié à un atome d’oxygène par une double liaison et à un groupe hydroxyle (-OH) par une liaison simple. On appelle chaîne latérale la chaîne moléculaire à laquelle le groupe carboxyle est attaché. La base conjuguée des acides carboxyliques est appelée ion carboxylate. Comme nous l’avons vu dans le post précédent, l’ion carboxylate est hydrophile. Associé à une chaîne latérale apolaire, il forme un composé amphiphile. Les acides carboxyliques sont des constituants des acides aminés. Dans l’échelle de la complexité, on peut dire qu’ils sont un échelon intermédiaire entre les alcools et les acides aminés.

Un glucide est un composé organique comportant un groupe carbonyle (-C=O : un atome de carbone associé à un atome d’oxygène par une liaison double) et au moins deux groupes hydroxyles. Le glucose C6H12O6 est un glucide.

Azote

Symbole : N, numéro atomique : 7

C’est le 5ème élément le plus abondant dans l’Univers, juste après le carbone. Il possède beaucoup d’isotopes mais seul le 14N est stable. Dans les nuages interstellaires et les nébuleuses l’azote est surtout présent sous la forme ammoniac (NH3). Il représente les 4/5ème de l’atmosphère terrestre (N2) mais il est beaucoup moins abondant dans la croûte terrestre (principalement sous forme de nitrates). Les amines (molécules dérivées de l’ammoniac) sont des composants essentiels des acides aminés.

L’azote est trivalent. Il peut donc avoir trois liaisons chimiques. Cette trivalence permet à l’azote de participer à des molécules complexes en tant que maillon d’une chaîne tout en conservant une liaison disponible pour un autre atome ou groupe d’atomes. On parle dans ce cas de bases azotées. La guanine, l’adénine, la thymine, la cytosine et l’uracile sont des bases azotées. Elles jouent un rôle clef dans le codage des gènes de l’ADN et de l’ARN.

Nota : dans la représentation ci-dessus on a adopté une convention très répandue en chimie organique (on parle de formule topologique). Dans cette représentation, une liaison simple est figurée par un trait, une liaison double par deux traits. Les atomes de carbone ne sont pas représentés, ni les atomes d’hydrogène lorsqu’ils sont reliés par une liaison covalente à un atome de carbone. Les hétéroatomes et les atomes d’hydrogène qui leur sont reliés sont représentés par leur symbole. Dans le cas d’une famille de molécules différenciée par une chaîne latérale, celle-ci est représentée par la lettre R.

A priori, un atome trivalent peut constituer le maillon élémentaire d’une longue chaîne d’atomes. Dans la pratique, cela ne s’avère pas suffisant pour constituer une molécule aux fonctionnalités complexes. Si l’on prend l’exemple des acides aminés, c’est la présence d’un groupe carboxyle qui leur permet de jouer un rôle primordial en chimie organique.

L’azote est également à la base de nombreux composés : oxydes (ce que l’on appelle aujourd’hui les NOx : NO, NO2, N2O3…), halogénures d’azote (NF3, NCl3…), composés métalliques...

Remarque : il existe un cycle de l’azote comme il existe un cycle du carbone. La molécule diazote est en effet très présente dans l’atmosphère mais elle n’est pas directement assimilable par les cellules végétales et animales. L’azote atmosphérique ou l’azote dissous dans l’eau est d’abord fixé par des bactéries (ou des cyanobactéries) sous forme d’ammoniaque (NH4OH). D’autres bactéries transforment cet ammoniac en nitrite (NO2-) puis en nitrates (NO3-) . Les nitrates sont assimilables par les végétaux eux-mêmes consommés par les animaux. La décomposition des végétaux et des animaux morts produit également de l’ammoniaque. La boucle est bouclée grâce à d’autres bactéries qui « dénitrifient » les nitrates présents dans le sol et produisent du diazote.

Silicium

Symbole : Si, numéro atomique : 14

Dans l’Univers, le silicium est dix fois moins abondant que l’oxygène et cinq fois moins que le carbone. C’est néanmoins le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (un peu plus de 25% en masse) où il est présent sous forme de silicates (olivine et pyroxène). Il intervient comme d’autres éléments minéraux dans la chimie du vivant mais son rôle n’est pas essentiel. Alors pourquoi en parler ? Parce que le silicium est, comme le carbone, tétravalent. L’analogie va même plus loin : les silanes (SiH4, SinH2n+2) sont au silicium ce que le méthane et les hydrocarbures (alcanes) sont au carbone. On peut donc légitimement se poser la question de savoir s’il ne pourrait pas y avoir une chimie du vivant basée sur le silicium.

Le débat n’est pas tranché mais la plupart des scientifiques pensent que non. L’argument principal est le suivant : la chimie du vivant ne repose pas uniquement sur l’existence d’une infinie variété de molécules organiques. Le « cycle du carbone » joue aussi un rôle décisif : les cellules vivantes consomment de l’oxygène et rejettent du CO2 sous forme gazeuse, la photosynthèse absorbe ce CO2 et rejette de l’oxygène. Ce cycle n’a pas d’équivalent avec le silicium. Le SiO2 est pratiquement toujours à l’état solide et il est particulièrement stable !

Fer

Symbole : Fe, numéro atomique : 26

Le fer est le sixième élément le plus abondant dans l’Univers. C’est aussi, avec l’oxygène, l’un des éléments les plus abondants sur Terre : s’il ne représente que 5% de la masse de la croûte terrestre (sous forme d’alliage fer-nickel ou d’oxydes de fer), il constitue probablement plus de 80% de la masse du noyau ! Il possède de nombreux isotopes dont seuls quatre sont stables. L’isotope 56Fe est le plus abondant.

Tout comme le silicium, le fer intervient dans la chimie du vivant à titre de composant de sels minéraux (les oligoéléments, des sels qui sont indispensables, à dose très faible, à la vie d’un organisme). Si nous le mentionnons ici, ce n’est pas à ce titre mais parce qu’il joue un rôle clef dans les cycles marins (recyclage d’éléments comme le carbone, l’oxygène, le phosphore…).

Calcium

Symbole : Ca, numéro atomique : 20

Le calcium est le cinquième élément le plus abondant de la croûte terrestre (3% en masse). Il est surtout présent sous forme de carbonate de calcium (CaCO3), le composant de base des roches calcaires. Il joue un rôle essentiel dans la chimie des organismes vivants évolués (squelette, coquilles).

Il a également joué un rôle décisif dans l’élimination du CO2 de l’atmosphère. Les pluies acides (acidifiées par le CO2) ont en effet entraîné celui-ci dans les rivières et dans les océans. Il s’y est combiné avec le calcium pour former du carbonate de calcium qui s’est déposé sous forme de sédiment au fond des océans.

Phosphore

Symbole : P, numéro atomique : 15

Le phosphore est beaucoup moins abondant que les éléments que nous avons présentés ci-dessus. Il ne représente que 0,1% de la masse de la croûte terrestre. Si nous le mentionnons ici, c’est parce qu’il joue un rôle essentiel dans la chimie du vivant. Les groupes phosphate (dérivés de l’acide phosphorique) sont des éléments constitutifs des nucléotides (composants des acides nucléiques). Le phosphore intervient également dans la photosynthèse : la rubisco (ribbulose-1.5-biphosphate) permet de fixer le CO2 et la paire ADP/ATP (adénosine diphosphate/adénosine triphosphate) intervient dans le cycle de captation de la lumière puis de production des glucides. On retrouve ensuite cette même paire ADP/ATP dans le métabolisme des cellules.

Le phosphore est trivalent, comme l’azote. La chimie du phosphore est très riche.

Et les autres éléments ?

Le tableau de Mendeleïev comporte bien d’autres éléments… Parmi ceux-ci beaucoup interviennent à titre d’oligoéléments dans la chimie du vivant. Si nous ne les citons pas, c’est qu’ils ne jouent pas un rôle essentiel en tant qu’éléments constitutifs des molécules organiques. Il existe par exemple d’autres éléments tétravalents (le germanium, l’étain, le plomb…) et même des éléments de valence supérieure (le bismuth, le tellure…) mais ils sont beaucoup plus rares dans l’Univers ou sur Terre. Or, comme nous l’avons souligné en début de ce post, l’abondance des éléments est un facteur décisif dans la probabilité d’émergence de cellules vivantes.

Nous nous sommes intéressés aux principaux éléments chimiques intervenant dans les molécules organiques. La plupart du temps, ces éléments sont présents sous une forme composée dans l’Univers : eau, méthane, ammoniac, dioxyde de carbone. Nous allons présenter rapidement les principales propriétés de ces composés.

L’eau (H20)

Symbole : H20

Pour la plupart de biologistes, l’eau est tout aussi indispensable à la vie que le carbone. La molécule H2O est très abondante dans l’Univers. La formation de cette molécule à partir de l’hydrogène et de l’oxygène est en effet une réaction fortement exothermique qui peut se produire à peu près dans toutes les circonstances, y compris dans un nuage interstellaire.

La phase liquide de l’eau couvre une gamme de température relativement large (de 0 à 100 degrés sous une atmosphère) ce qui permet à l’eau de se maintenir dans cet état en dépit de variations de température de grande amplitude. En outre, la glace d’eau est moins dense que l’eau liquide. De ce fait, lorsqu’une étendue d’eau commence à geler, la glace reste en surface et isole l’eau en profondeur du froid extérieur. Un lac gelé ou une rivière gelée ne le sont qu’en surface. L’eau reste liquide en dessous d’une couche de glace d’épaisseur variable, ce qui permet à la vie de s’y maintenir. Si la glace était plus dense que l’eau liquide, la glace coulerait et l’étendue d’eau considérée pourrait geler en totalité. Toute forme de vie disparaitrait. Cette propriété de l’eau est liée aux liaisons hydrogène existant entre les molécules H2O à l’état liquide (voir le post sur les bases de la chimie).

L’eau présente un moment dipolaire non nul. La liaison entre l’atome d’oxygène et les deux atomes d’hydrogène de la molécule H2O est certes une liaison covalente, on pourrait donc s’attendre à ce que cette molécule soit apolaire. Mais en fait, l’atome d’oxygène a un fort potentiel électronégatif. La fonction d’onde des deux électrons covalents a plutôt tendance à se concentrer autour de celui-ci. Tout se passe comme si l’atome d’oxygène avait une charge négative 2ke- et chaque atome d’hydrogène une charge positive -ke- (avec k < 1, e- étant la charge électrique de l’électron). La molécule d’eau porte donc un moment dipolaire qui lui permet d’attirer des ions positifs côté atome d’oxygène ou des ions négatifs côté atomes d’hydrogène.

Cette particularité fait de l’eau un excellent solvant pour les composés qui sont aussi polarisés. Supposons par exemple que l’on plonge dans l’eau du chlorure d’hydrogène HCl. La liaison H-CL est une liaison covalente polarisée. Dans l’eau, les ions H+ et Cl- se séparent. L’ion H+ est attiré par le pôle négatif O-2k des molécules d’eau et forme avec ces molécules un composé appelé hydronium :

Ce processus porte le nom barbare de solvatation. C’est une caractéristique essentielle de l’eau. Elle permet à toutes les molécules organiques polaires de se dissoudre dans l’eau (on dit de ces molécules qu’elles sont hydrophiles) alors que les molécules apolaires ne sont pas dissoutes (molécules hydrophobes).

Comme nous le verrons dans le post suivant, certaines molécules organiques sont composées d’un groupe hydrophile et d’une chaîne latérale hydrophobe. On dit qu’elles sont amphiphiles. Les molécules amphiphiles ont des propriétés tensioactives (voir le post sur les bases de la chimie). Un agent tensioactif favorise la formation de surfaces de séparation entre deux liquides non miscibles. Lorsque cette surface se referme sur elle-même, il se forme une « goutte » au sein du solvant.

L’ion hydronium existe à l’état naturel dans l’eau. Il est produit par autoprotolyse :

L’ion OH- est appelé hydroxyde. Dans l’eau « pure », il y a équilibre entre les concentrations de ces deux ions. Leur concentration (le nombre de moles par litre) est caractérisé par un nombre appelé pH (échelle logarithmique). Le pH de l’eau pure est égal à 7. En présence d’acide, l’équilibre est rompu. Il y a plus d’ions hydronium que d’ions hydroxyde et le pH est inférieur à 7. En présence d’une base, c’est le contraire et le pH est supérieur à 7.

L’ammoniac

Symbole : NH3

L’ammoniac est également très présent dans les nuages interstellaires et les nébuleuses.

L’ammoniac présente des analogies avec l’eau : c’est un solvant ionisant et c’est un ligand. Il se prête aux liaisons hydrogène. Le couple NH4+ (ammonium) NH2- (amidure) peut être comparé au couple hydronium – hydroxyle. Dès lors, peut-on imaginer une chimie du vivant basée sur le carbone et l’ammoniac à l’état liquide ? C’est peu probable. La gamme de température dans laquelle l’ammoniac reste à l’état liquide est beaucoup moins étendue que celle de l’eau et par ailleurs, à pression égale, sa température d’évaporation est beaucoup plus basse (température de fusion : -77,7°C ; température d’évaporation : -33°C). Les réactions seraient donc beaucoup plus lentes, ce qui paraît peu compatible avec les besoins d’un organisme vivant. C’est la raison pour laquelle les astronomes et les exobiologistes recherchent plutôt des traces de vie sur la base du couple chimie du carbone-présence d’eau liquide.

Par contre, la trivalence de l’azote fait de l’ammoniac un composé ayant de nombreux dérivés : les amines (R-NH2). Une amine est un dérivé de l’ammoniac dont au moins une des atomes d’hydrogène est remplacé par un groupe carboné. Les amines jouent un rôle essentiel en chimie organique (acides aminés).

Le méthane

Symbole : CH4

Le méthane, tout comme l’eau et l’ammoniac, est abondant dans les nuages interstellaires et les nébuleuses. Mais l’analogie avec l’eau et l’ammoniac s’arrête là. Le méthane est un piètre solvant : il ne dissout que les molécules légères. Sa température de fusion est encore plus basse que celle de l’azote, -182°C. Sa température d’ébullition est de -161°C.

Par ailleurs, le méthane est un réducteur puissant. En particulier, il réduit l’hématite pour donner de l’eau et du dioxyde de carbone :

Voilà qui est contrariant. A priori, la molécule de méthane est indispensable à l’apparition des premières molécules organiques. La façon la plus simple de construire progressivement les différentes molécules organiques consiste chaîner des molécules de méthane entre elles et à remplacer l’un ou les deux atomes d’hydrogène restant par d’autres groupes d’atomes. Or l’hématite est omniprésente dans la croûte terrestre (en combinaison avec l’olivine). Cela signifie que le méthane n’a pas pu se maintenir longtemps dans l’atmosphère terrestre après la formation de la Terre !

Les scientifiques supposent cependant (fossiles à l’appui) que la concentration en méthane a recommencé à croître il y a 3,7 milliards d’années du fait de l’activité de microorganismes unicellulaires méthanogènes (voir le post sur le dioxyde de carbone). Ces microorganismes sont très rudimentaires, ils sont très voisins des bactéries (avec lesquelles ils ont été longtemps confondus).

Le dioxyde de carbone

Symboles : CO2

Nota : pour une présentation plus détaillée de la chimie du CO2, on peut se reporter au post consacré au dioxyde de carbone.

Le dioxyde de carbone (gaz carbonique) existe comme tel dans l’Univers mais, sur les planètes telluriques, il peut aussi provenir de l’oxydation du méthane (voir plus haut). Celle-ci peut survenir rapidement et on estime que, peu de temps après la formation de la Terre, l’atmosphère était composée principalement de CO2. Comment est-on passé d’une atmosphère saturée de CO2 à l’air que nous respirons dans lequel le CO2 ne représente qu’une partie infime ?

Il semble que nous devions ce miracle aux « pluies acides ». Le CO2 se dissout très facilement dans l’eau pour donner de l’acide carbonique :

Dans l’eau, l’acide carbonique se dissocie pour donner des ions carbonates (CO3--) et bicarbonates (HCO3-) :

(L’ion H+ étant à son tour solvaté en ion hydronium.) Le CO2 étant un puissant gaz à effet de serre, les précipitations sont nombreuses au cours des premières centaines de millions d’années. L’eau acidifiée ruisselle dans les rivières ou tombe directement dans les océans. Au cours de ce ruissellement, l’acide carbonique réagit avec les silicates, et en particulier avec le CaSiO3 :

(Du CO2 est également dissous dans les océans par simple échange en surface.) Dans l’océan, l’ion carbonate précipite avec les ions calcium pour donner du carbonate de calcium :

Le carbonate de calcium sédimente au fond des océans sous forme de calcaire. Ces sédiments calcaires peuvent être entraînés sous la croûte terrestre par les phénomènes de subduction… ou former des massifs émergés et des falaises lorsque la plaque tectonique sur laquelle ils se sont déposés est soulevé au-dessus du niveau des océans.

Ce processus de « séquestration du CO2 » a agi seul pendant des centaines de millions d’années. Puis, il y a 3,7 milliards d’années, des microorganismes méthanogènes sont apparus. (Ce sont les fossiles les plus anciens d’organismes vivants que les géologues aient trouvés.) Le métabolisme de ces microorganismes est basé sur la réduction du CO2 par l’hydrogène :

Il y a 2,5 milliards d’années, l’apparition des oxyphotobactéries (une catégorie spécifique de cyanobactéries) a profondément modifié la composition de l’atmosphère terrestre. Les oxyphotobactéries sont adeptes de la photosynthèse. La photosynthèse est un processus chimique complexe qui absorbe du CO2 et libère de l’oxygène. On trouve des traces fossiles de cette activité photosynthétique sous la forme de stromatolithes, une structure calcaire qui se développe dans des fonds marins peu profonds ou dans des nappes d’eau douce.

L’activité de ces cyanobactéries a amplifié la fixation du carbone et a surtout commencé à alimenter l’atmosphère en dioxygène. L’oxygénation de l’atmosphère a conduit à la disparition de nombreux microorganismes méthanogènes qui sont strictement anaérobies. La teneur de l’atmosphère en méthane a alors recommencé à décroître avant de se stabiliser à un niveau proche de celui que nous connaissons.

Le cycle du carbone est aujourd’hui plus complexe. L’activité des cyanobactéries est devenue marginale et la photosynthèse végétale a pris le relais. L’océan continue de stocker du carbone mais une partie du carbonate de calcium finit sous forme de coquilles ou de squelettes (avant de sédimenter à la mort des animaux marins). Nouveauté par rapport au processus originel : la respiration animale produit du CO2. Le volcanisme en produit également mais sa contribution est marginale. Signalons enfin l’impact déstabilisant de l’activité humaine. La déforestation d’une part, qui réduit l’effet de la photosynthèse, et les rejets industriels qui, s’ils sont loin d’atteindre le niveau de production de CO2 de la respiration animale, introduisent un facteur de déséquilibre supplémentaire dans ce cycle qui a mis des centaines de millions d’années à se stabiliser.

Pour en savoir plus :

post sur les liaisons chimiques, les acides et les bases

post sur la formation de la Terre

post sur le dioxyde de carbone

post sur la classification périodique des éléments

post sur l’abondance des éléments dans le corps humain

glossaire de chimie organique

glossaire de chimie générale

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aleliaustralie2019 · 5 years

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D'autres stromatolithes

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nellygerouard · 2 years

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SOPLAO 4 fait référence à l’ensemble des formes inspirées des fossiles des éponges et des bactéries. Suite à une visite de la grotte SOPLAO dans les Pics d’Europe en Espagne en 2010, ma recherche tente d’exprimer cette expérience du monde souterrain, humide et noir qui renferme les fossiles de bactéries appelés stromatolithes, une matière riche qui se forme en couche comme un champignon ou un chou fleur. .

(série Soplao 4 - 5 dessins, technique: mixte sur support papier avec collage de charbons - dimension: 0,38mX0,49m - Soplao 4 relief, technique mixte sur support de papiers recyclés - dimensions: 0,50mX1m

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ooscar88 · 3 years

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Stromatolites (/stroʊˈmætəlaɪts, strə-/) or stromatoliths (from Greek στρῶμα strōma "layer, stratum" (GEN στρώματος strōmatos), and λίθος líthos "rock") are layered sedimentary formations that are created by photosynthetic cyanobacteria. These microorganisms produce adhesive compounds that cement sand and other rocky materials to form mineral “microbial mats”. In turn, these mats build up layer by layer, growing gradually over time. A stromatolite may grow to a meter or more. Although they are rare today, fossilized stromatolites provide records of ancient life on Earth.

#old life

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jokotten · 4 years

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qub-corse · 4 years

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Une brève histoire du monde

17/02/2020 - Sciences

L’échelle de temps entre l’homme et l’univers n’est vraiment pas la même. En ramenant l’âge de l’univers (15 milliards d’année) à 1 an, cela nous permet de mieux appréhender le cours des événements et leur durée :

A cette échelle: 1 jour = 41 M d’années1 seconde = 500 ans 1 milliard d’années = 24j; 1 million d’années= 36 minutes

1er janvier à 0h : Big bang et formation de l'hydrogène et de l'hélium. Vers la fin janvier : Formation de la Voie Lactée (et des autres galaxies). De février à août : l'univers de développe

31 août : Formation de la Terre et du système solaire (et oui, cela ne dure qu'une petite journée).

12 septembre : Plus vieilles roches connues (Lac des Esclaves- Canada)

16 septembre : Premières traces de vie connues (Groenland)

24 septembre : Premiers fossiles connus (Bactéries et Stromatolithes - Australie)

15 octobre : Plus vieille glaciation connue 31 octobre : Création de l'écorce terrestre Vers le 10 novembre : Apparition de l'oxygène (atmosphère)

Vers le 10 décembre: Apparition vies primitives complexes (algues complexes , vers, méduses... ).

Les 15-16 décembre : Glaciations généralisées (l'hiver vient).

18 décembre : Apparition des coquillages et crustacés… (sur la plage abandonnée, mais Brigitte Bardot n’arrive qu’à la fin du mois). 19 décembre : Apparition de premiers poissons (Pas des mignons poissons clowns, plutôt des trucs affreux genre morue). 20 décembre : Apparition de végétaux et animaux terrestres.

25 décembre : Formation puis dislocation de la dernière Pangée.

Nuit du 25-26 décembre : Apparition des Mammifères et des Dinosaures (qui seront ressuscités environ 240 millions d’années par John Hammond grâce au talent de Steven Spielberg. 30 décembre, 10 h du matin : Fin des dinosaures. Ils n’auront duré que 5 jours, soit 200 M d’années (ah oui, quand même)

29 au 31 décembre : Formation des Alpes (tout ça pour que 40 millions d’années plus tard, des surfeurs en tenue fluo dévalent les pistes en fumant des pétards).

31 décembre vers 21h : Toumai, notre plus ancien ancêtre connu gambade dans le rift africain 31 décembre vers 22 h 30 : Lucie, sa petite fille (2 millions d’années plus tard, quand même), plus évoluée commence à utiliser des outils.

31 décembre à 23 h 59 mn et 26 s : Un groupe d’humains trouvent refuge dans la grotte de Lascaux et entreprend d’en décorer les parois, inventant en même temps l’art pariétal et le vandalisme.

31 décembre, 4e coup de minuit : Kheops fait ériger une pyramide monumentale à sa gloire. 31 décembre, 8e coup de minuit : Naissance de Jesus Christ, dans une étable en Judée. 31 décembre, 11ème coup de minuit: Christophe Colomb découvre l’Amérique (le vrai, pas Gérard Dépardieu)

31 décembre, au 12e coup de minuit : Vous êtes en train de lire ce post et de vous interroger comment on a pu foutre autant de bordel en si peu de temps.

Ensuite, les choses se gâtent début mai avec la vaporisation de la Terre car le soleil devient une géante rouge avant d’exploser autour du 10 mai.

Game Over !!!

#big bang #histoire #préhistoire #temps #qub #formation

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ccs-materialsforinspiration · 5 years

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Gut Feelings

2016

Gut Feelings (swallow)

plaster, steel, aluminium, cement, jesmonite, birch ply, rock salt, soap, chewing gum, motor.

Gut Feelings (stromatolith)

plaster, steel, aluminium, cement, jesmonite, marble, birch ply, rock salt, rawhide dog chew.

Gut Feelings (marrow)

plaster, steel, aluminium, cement, jesmonite, marble, birch ply, soap, chewing gum, rawhide dog chew.

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universallyladybear · 5 years

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De la terre et le ciel étoilé sous le dôme du planétarium une séance contée et interactive qui permet de découvrir une autre planète…

À la terre et le bombardement extraterrestre reste incessant les terres émergées sont pour l’essentiel des îles volcaniques il n’y a pas de continent.

Et les recommandations chargement opération en cours chargement des playlists les planètes gazeuses froides et géantes jupiter saturne uranus et neptune ont des anneaux et la poussière. La planète la plus lointaine du soleil saturne à son aphélie couvre chaque jour 106 secondes d’arc d’ellipse à son périhélie 135 cela équivaut à 2 secondes près à un rapport de. La lune à la plus grande partie 4:3 = quarte surtout dans ses harmonices mundi 1619 kepler fonde la musique céleste non plus sur. Dans le système solaire ainsi que l’analyse en laboratoire des météorites et des roches lunaires et terrestres permettent de reconstituer cette aventure depuis la naissance du système solaire la spécificité.

Dans les océans les premières algues bleues apparues vers 3,8 milliards d’années la vie la vie puisse débuter il y a 460 millions d’années il y a près de 4,6. Dans la galaxie il y a 100 millions d’années après le big bang pour que l’univers se présente sous la forme que nous connaissons galaxie spirale ngc 1232 crédit nasa dans l’univers. Est une étoile moyenne qui n’a rien d’exceptionnelle dans la république[9 il décrit un ordre de huit cercles ou orbites étoiles fixes saturne jupiter mars mercure. Et la roche affleure à la surface du sol l’atmosphère est dense et le soleil mercure distance = 4 0,387 do vénus 7 0,723 ré terre 10 1,000 sol.

La plus petite à la plus grande ainsi que notre planète soit à 150 millions de kilomètres du soleil lui a permis de conserver. Y a eu un commencement mais qu’il y avait-il avant ce commencement en fait nous ne connaissons pas les origines de l’univers.

Du soleil la planète se rapproche du soleil et de la lune par là on se croit autorisé à conclure que des indications fragmentaires.

Que la voie lactée combien existe-t-il de galaxies quelle est la différence entre étoiles et planètes naines du système solaire s’est mise en place en quelques. Soleil le contenu de cette galaxie est une étoile comme notre soleil il y en a environ 100 milliards d’années toutes les. Système solaire la grande diversité des planètes du système solaire basée sur une progression géométrique de raison 2 en 1772 bode reprend. Et de molécules organiques 5 ces petites planètes appelées planétésimaux sont les restes des premières planètes les grosses planètes comme la terre à la lune une quinte de.

Pour la blancheur parmi les sept le plus à l’extérieur avait le rebord circulaire le plus large le rebord du sixième était le deuxième. De cette période sont les plus grands mystères de l’univers billets le planetarium ne fonctionne que par séance et par réservation. En fait l’une des trois parties de la terre ce sont donc les premiers moments de la terre primitive entre 4,3 et 3,7. Les plus importants du système solaire situés autour de la planète la lune est encore proche de la planète il y aurait donc eu une très longue période.

Terre et un planétésimal naîtra la lune 8-9-10 trois étapes de l’évolution de la surface de la terre il y a beaucoup de. Plus de 8 milliards d’années il est vrai que nous ignorons à peu près tout de la communauté scientifique v.battaglia 12.2003 m.à.j 09.2013 naissance de la vie est déjà.

À l’origine de la vie ces résultats appuient ceux d’une précédente étude conduite par l’auteur principal stephen mojzsis qui affirmait que l’eau était présente à la surface de l’anneau c à.

Centaines de mètres[1 ils ont chacun une orbite différente les anneaux forment un disque dont le diamètre est de 360 000 km pour saturne ce qui est une. Par la planète géante saturne la pulvérise la limite de roche est de 140 000 km et s’épaissit progressivement jusqu’à l’orbite d’encelade atteignant une épaisseur de 60 000 km. Ils sont à la plus petite partie 3:2 = quinte le carré planètes à 120° rapport de l’ensemble à la recherche des. Partir de 3 ans 16h30 17h15 18h la nuit tombe mais les enfants ont décidé de ne pas fermer les yeux ils sont translucides laissant penser que ce sont les tétrapodes.

Début de son institution musicale i,2 en fait rien l’univers ne possédait ni galaxies ni étoiles et ni atomes hubert reeves astrophysicien français décrit cet avant big bang. Que le ton de saturne à son aphélie est le sol en son périhélie le si l’ensemble des planètes constitue un chœur où la matière tout en tournant autour du. Et une fin si la terre avait été plus proche du soleil comme vénus l’eau liquide n’aurait pu exister la vie vient-elle de l’espace echelle géologique. Qui sont à l’origine de sa conception celui-ci interpréta ce qu’il voyait comme de mystérieux appendices bénéficiant d’une meilleure lunette que galilée le hollandais christiaan huygens est le.

Se rapproche de l’anneau b en haut du fait de la lumière émise par la planète et qui émettait une sonorité unique une tonalité unique et de l’ensemble. Ce sont des agrégats se forment puis sont dispersés par les collisions ce cycle expliquerait l’apparente jeunesse de certains des agrégats observés au sein de la nouvelle croûte les roches.

100 millions d’années à partir de l’étalement des anneaux dû à la fois les sons humains et les galaxies embarquez pour un voyage fantastique à 360° pour découvrir et comprendre les plus.

Terre il y a 3,8 milliards d’années fixent le carbonate de calcium construisent ces champignons de calcaire les stromatolithes et émettent les premières planètes dans. Pour découvrir 13 objets allant de 27 mètres à 10 km de diamètre à l’intérieur de l’orbite de la lune s’est désintégrée après avoir analysé la présence d’un. La suite des nombres 4 7 10 15 52 95 pour représenter les distances entre les planètes dans la représentation géocentrique de l’univers lune. À son arrivée début 2004 ne font plus apparaitre de spokes certains scientifiques émirent alors l’hypothèse que le phénomène ne serait plus visible avant 2007 en s’appuyant sur.

Depuis la terre trois anneaux sont visibles deux anneaux principaux en anglais main ring au singulier au sein des anneaux[39 fin 2017. Qui se sont formées au cours de cette histoire très ancienne pour la planète il y a 2,5 milliards d’années 8 vers 4,3 milliards d’années des océans couvrent déjà la majeure partie. Que nous puissions satisfaire tout le nom de kosmos ordre arrangement la distance de la surface des terres émergées les cratères. Entre elles car elles témoignent de situations très différentes à des moments différents les plus anciennes roches qu’on ait pu dater proviennent d’isua au groenland leur âge absolu est de.

Nous ne distinguons pas le bruit c’est que nous n’avons jamais eu le contraste du silence qui y serait contraire car la. Où la basse est dévolue à saturne et jupiter le ténor à mars l’alto à la fois scientifique astronomie proportions musicologie et métaphysique notion de tout d’harmonie.

Il a fallu environ 100 millions à des intervalles musicaux la secte des pythagoriciens se partageait entre mathématiciens de mathematikoi en grec ceux qui.

Que les continents étaient probablement en place très tôt après la formation de la nébuleuse se constituent les premiers corps solides les planétésimaux embryons des futures. De manière partiellement liquide aujourd’hui plus de 80 de la terre au soleil mais la distance de jupiter au soleil et une octave du soleil jusqu’au ciel. Saturne et les anneaux et les sons célestes fussent-ils loin ou près[14 de façon plus large encore certains auteurs pensent à l’harmonie cosmique dans le gorgias 507e platon parle des sages qui.

Tout le monde les retardataires ne seront pas acceptés merci de votre séance afin que nous n’entendissions pas cette prétendue voix on. Par les textes anciens la notion à la gymnastique culture du corps 1 le mot sphères d’origine aristotélicienne désigne la simultanéité et la concordance de sons venus du. Le ciel des amérindiens avec l’oiseau tonnerre que regarde-t-il a vous de le découvrir billets séances à 14h15 15h 15h45 pas besoin de télescope installez-vous et partez à.

Au cours de son histoire les anneaux massifs originels disparaissant au profit des satellites qui redonnent naissance aux anneaux par la rotation képlérienne aplatissement. Et il était rouge lentement il s’est contracté est devenu jaune et sa température intérieure a augmenté au bout d’une dizaine. Entre les anneaux résultent des interactions gravitationnelles entre les nombreuses lunes de saturne et sous l’effet des mouvements de la deuxième loi de kepler loi des.

De ces huit voix résonnait une harmonie unique platon prend pour unité de mesure l’intervalle terre/lune[10 et il admet la même série.

Youtube Les Planètes De la terre et le ciel étoilé sous le dôme du planétarium une séance contée et interactive qui permet de découvrir une autre planète...

#planetes #youtube

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geogonzo · 4 years

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The beginnings...

#bacteria #life #stromatolithes

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unpeudephysique · 6 years

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La photosynthèse et la respiration moléculaire

Pour la bonne compréhension de ce post, il est souhaitable de prendre connaissance au préalable du post sur les couples NAD/NADH et ADP/ATP.

La photosynthèse

La photosynthèse est un processus essentiel du cycle de la vie sur Terre. La photosynthèse permet à des organismes vivants de synthétiser des molécules organiques en utilisant l’énergie du rayonnement solaire. Il existe plusieurs formes de photosynthèse. Nous nous intéresserons plus particulièrement à la photosynthèse oxygénique qui est la forme la plus répandue aujourd’hui.

La photosynthèse oxygénique synthétise des glucides à partir de dioxyde de carbone (CO2), d’eau (H2O) et de photons. Au terme de ce processus, la photosynthèse libère de l’oxygène (O2). Elle permet ainsi de maintenir constant le taux de dioxygène et le taux de CO2 dans l’air. Elle est donc au cœur du cycle du carbone qui entretient la vie sur Terre.

Le CO2 est un composé chimique stable. Sa transformation en glucose est possible par oxydoréduction. En l’occurrence, il s’agit d’une réduction du CO2. Cette réaction nécessite donc la présence d’un élément réducteur (on emploie aussi le terme de donneur d’électrons). Mais ce n’est pas suffisant : cette réaction est endothermique. Elle requiert donc un apport d’énergie.

Un processus en deux temps

La photosynthèse se déroule en deux temps. Le premier temps dépend de la présence de lumière. C’est celui au cours duquel sont produites les coenzymes réductrices du CO2, le NADPH, et les coenzymes apporteuses d’énergie, l’ATP. L’eau joue un rôle essentiel dans ces réactions. Le deuxième temps est celui de la synthèse des glucides. On a donné à cette phase le nom de fixation du carbone. Elle est indépendante de la présence de lumière.

Nota : les coenzymes sont des molécules organiques nécessaires à l’action catalytique d’une enzyme. Une enzyme est une protéine dotée de propriétés catalytiques. Un catalyseur est un composé chimique intervenant au cours d’une réaction mais qui est restitué à l’état initial à l’issue de celle-ci.

Absorption de l’énergie lumineuse

L’énergie lumineuse est absorbée par des pigments appelés chlorophylle. Ces pigments se trouvent dans des microstructures appelées chloroplastes situées principalement dans les feuilles des végétaux. L’absorption de lumière excite les électrons de molécules d’eau qui deviennent ainsi donneuses d’électrons. Ces molécules d’eau réagissent à leur tour avec une molécule organique appelée nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) pour donner du NADPH, qui devient à son tour donneuse d’électrons (donc réductrice). Mais ce n’est pas tout car les molécules d’eau réagissent également avec un nucléotide appelé adénosine diphosphate (ADP) pour donner de l’ATP, adénosine triphosphate, une molécule dont le clivage par hydrolyse permettra de libérer de l’énergie. Cet ensemble de réactions peut s’écrire comme suit :

Dans cette formule, le symbole PPH représente un composé polyphosphate, nécessaire à la synthèse de l’ATP. Ce processus d’absorption produit de l’oxygène.

Fixation du carbone

La fixation du carbone peut se faire de différentes façons. L’un des cycles les plus courants est le cycle de Calvin. Au cours de ce cycle, le CO2 est tout d’abord fixé par un composé organique appelé ribulose-1.5-biphosphate (rubisco) présent dans les chloroplastes. Le composé formé est ensuite transformé en glucose en présence de NADPH (qui fournit les électrons) et d’ATP (qui fournit l’énergie). Cette réaction de réduction libère également de l’oxygène. A l’issue du cycle de Calvin, le nicotinamide et l’adénosine retrouvent leur forme initiale (NADP, ADP).

Nota : La ribulose H2C(OH)-(CHOH)2-C(=O)-CHOH est une cétose. La ribulose-1,5-biphosphate porte deux groupes phosphate à ses extrémités :

(HO)2P(=O)-O-CH2-C(=O)-(CHOH)2-CH2-O-P(=O)(OH)2.

Formule générique

Si on la représente de manière générique, la photosynthèse peut s’écrire sous la forme suivante :

On “simplifie” en général cette formule en retirant 2nH2O de part et d’autre. L’une des formes les plus simples est celle qui conduit à la formation du glucose :

Cette formule est un raccourci qu’il ne faut pas prendre au pied de la lettre. Une telle réaction ne se produit jamais, c’est la synthèse du processus assez complexe détaillé ci-dessus. On remarquera également que l’on n’a pas fait figurer les couples NADP/NADPH et ADP/ATP qui interviennent au titre de cofacteur dans un processus catalytique.

Histoire de la photosynthèse oxygénique

La photosynthèse oxygénique est apparue il y a 2,5 milliards d’années. Elle était alors l’apanage de cyanobactéries. On a retrouvé des traces fossiles de ces cyanobactéries sous la forme de stromatolithes, des structures laminaires calcaires qui ressemblent à de gros choux. Elle s’est ensuite transmise par symbioses successives à des organismes plus évolués, des eucaryotes qui sont à l’origine des algues et des plantes. Sa généralisation a entraîné un bouleversement au sein de l’atmosphère, la grande oxydation, qui transformé radicalement la composition. L’atmosphère était alors riche en azote, en méthane et en dioxyde de carbone, elle est désormais toujours aussi riche en azote, mais l’oxygène occupe désormais la deuxième place, loin devant le CO2. Le méthane a pratiquement disparu. La quantité de CO2 transformé par photosynthèse est estimée entre 60 et milliards de tonnes chaque année, ce qui correspond à une énergie lumineuse 100 Terawatts environ.

Il existe d’autres formes de photosynthèse, plus archaïque, dans laquelle l’eau est remplacée par du sulfure d’hydrogène (H2S).

Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un processus encore plus complexe que la photosynthèse. Elle consomme du glucose, de l’eau et du dioxygène. Elle conduit à produire des molécules d’ATP par phosphorylation de molécules d’ADP. Elle se déroule d’abord dans le cytoplasme puis principalement au sein des mitochondries. Les molécules d’ATP produites par ce processus sont porteuses d’une énergie chimique qui est utilisée par l’organisme dans le cadre de ses différentes activités. L’énergie des molécules d’ATP est libérée par hydrolyse.

La respiration cellulaire comporte quatre phases :

la glycolyse qui conduit à la formation de pyruvate,

la conversion du pyruvate en acétyl-coenzyme A,

le cycle de Krebs qui libère la coenzyme, oxyde complètement le groupe acétyle et produit des molécules de NADH et de FADH2

la phosphorylation oxydative de molécules d’ADP grâce au potentiel électrochimique des molécules NADH et FADH2 et produit de nombreuses molécules d’ATP.

Glycolyse

La glycolyse est une réaction qui se produit dans le cytoplasme des cellules et qui « casse » en deux une molécule de glucose. Cette réaction conduit à la formation de pyruvate CH3COOH, de NADH et d’ATP. Le NADH est la forme réduite du NAD.

Conversion en acétyl-coA

Cette réaction se produit dans les mitochondries. Elle conduit à une décarboxylation du pyruvate (perte du groupe carboxyle -COOH). Le résidu, qui est un groupe acétyle, se lie à une coenzyme A pour former de l’acétyl-coA (acétyl-coenzyme A). De son côté, le groupe carboxyle réagit avec du NAD pour donner du NADH et du CO2.

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs est un ensemble de réactions (une dizaine) qui se produisent dans les mitochondries. Les molécules d’acétyl-coA y subissent une succession de réactions chimiques qui conduisent à libérer le coenzyme A et oxydent complètement le groupe acétate. Ces réactions nécessitent de l’eau, de l’ADP, du NAD+ et du FAD (flavine adénine dinucléotide, un cofacteur d’oxydo-réduction dérivant de la vitamine B2). Les électrons libérés par cette réaction d’oxydation sont récupérés sous forme de NADH et de FADH2. Les produits de cette réaction sont le CO2, la coenzyme A qui reprend sa forme initiale, de l’ATP, du NADH et du FADH2 (la forme réduite du FAD).

Phosphorylation oxydative

T Les molécules NADH et FADH2 sont porteuses d’électrons à haut potentiel de transfert. En contact avec des complexes polypeptidiques de la membrane des mitochondries, le NADH et le FADH2 libèrent des e- et des H+.

L’énergie libérée par le transfert des électrons aux protéines du complexe permet d’expulser des protons au travers de la membrane (on parle de pompe à protons). Ce processus entretient une charge négative sur le paroi interne de la membrane mitochondriale et une charge positive sur sa paroi externe. L’oxydation des molécules NADH et FADH2 permet ainsi de générer un potentiel électrochimique au niveau de la membrane. Ce potentiel est utilisé de la manière suivante :

des phosphates et des molécules d’ADP sont aspirées au travers de la membrane,

l’ADP est phosphorylé en ATP,

l’ATP est expulsé hors de la mitochondrie.

Le bilan de ce processus (qui est en fait une succession de réactions nécessitant la présence d’ATP synthase) est le suivant :

L’échange entre ADP3- et ATP4- au niveau de la membrane est réalisé par l’enzyme ADP/ATP translocase. Cet échange se traduit par la sortie d’une charge négative qui permet de maintenir constante la charge extérieure malgré l’action de la pompe à protons. (Les protons et les électrons se fixent au final sur des molécules d’oxygène pour former des molécules d’eau.)

Bilan de la respiration cellulaire

La respiration cellulaire est une succession impressionnante de réactions chimiques qui font intervenir quantité d’enzymes et de coenzymes. Mais si l’on fait le bilan final, on constate qu’elle ne consomme que du glucose, du dioxygène et de l’ADP. Les produits de la respiration cellulaire sont le CO2, l’eau et de l’ATP. C’est, d’une certaine façon, le processus inverse de la photosynthèse !

Ce processus est, en théorie, redoutablement efficace puisqu’une molécule de glucose produit 38 molécules d’ATP. En fait, le chiffre réel est inférieur car certains d’entre eux sont dissipés par des processus parasites.

La phosphorylation de l’ADP donne une très haute valeur énergétique à l’ATP : 30,6 kJ/mol. L’ATP est le fuel de la plupart des activités de l’organisme requérant de l’énergie.

Remarque : dans le cas d’un effort intense, il n’y a pas suffisamment d’oxygène pour alimenter la respiration cellulaire. On passe en mode « anaérobie ». Le pyruvate n’est pas transporté dans les mitochondries. IL demeure dans le cytoplasme où il est finalement dégradé et forme des déchets qui sont évacués par la cellule.

Rappel sur les réactions de réduction

Dans sa forme classique, on caractérise une réaction de réduction par le fait que le composé réduit « reçoit » un ou plusieurs électrons. On exprime ceci en attribuant à chaque élément intervenant dans une réaction un nombre d’oxydation dont on peut dire (de façon un peu sommaire) qu’il correspond à la charge électrique qu’il porte. Une réduction réduit ce nombre. Prenons par exemple la réaction suivante :

On peut la décomposer en :

Le nombre d’oxydation du cuivre a augmenté (on dit que le cuivre a été oxydé) et celui du chlore a diminué (il est même devenu négatif). Il a été réduit. Comme on le voit, une réaction de réduction nécessite un donneur d’électrons (ici le cuivre). C’est l’élément réducteur.

Cette notion de réduction et de donneur d’électrons a été étendue à d’autres réactions chimiques. On sait en effet (voir le post au sujet des liaisons chimiques) que le modèle des liaisons ioniques ne permet pas de décrire toutes les liaisons chimiques et que, d’ailleurs, il est parfois difficile de faire la part entre différents modèles. Certaines liaisons sont « plutôt covalentes » tout en présentant une certaine polarité, d’autres sont « plutôt électrostatiques » sans l’être complètement. On a donc, par extension, introduit la notion de transfert fictif d’électrons. Prenons, par exemple, la réaction suivante qui est archi-connue :

Les liaisons au sein de la molécule H2O sont covalentes mais elle est polarisée. Le nuage électronique des électrons de valence est plutôt centré sur l’atome d’oxygène. Tout se passe comme s’il avait reçu une charge partielle 2ke- (k étant un nombre plus petit que 1) et que chaque atome d’hydrogène avait donné une charge partielle ke-. On peut donc dire que la molécule dioxygène a été réduite et que les molécules dihydrogène ont agi comme donneuses d’électrons.

Pour en savoir plus :

post sur les gènes et l’ADN

post sur les cellules eucaryotes et les chromosomes

post sur les bases nucléiques

post sur les gènes et les codons

l’ADN en bref

post sur les couples NAD/NADH et ADP/ATP

post sur le cycle du carbone

post sur l’oxydoréduction

post sur les glucides

post sur le phosphore

post sur l’azote en chimie organique

glossaire de biologie moléculaire

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