• La résonance entre électrons: liaisons covalentes, empilement des cycles aromatiques, mécanique quantique.

    2.3.15 Paris

    DNA           (dossier Global-Eklablog)

    Stacking energy:  

    1.−  Changhong Ke, Michael Humeniuk, Hanna S-Gracz, and Piotr E. Marszalek (2007) Direct Measurements of Base Stacking Interactions in DNA by Single-Molecule Atomic-Force Spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 99:018302.

    Of the single-stranded polynucleotides, only polyA has a helical structure in solution and that's because of the stacking interactions between single adenylate resides in the polynucleotide. PolyT is somewhat unstructured and polyG and polyC have complex three-dimensional structures that are difficult to interpret.

    As the molecule is stretched, it resists up to the point were the bases become unstacked and the helix is disrupted. The force required can be used to directly calculate the stacking interactions between the adenylate residues. The value turns out to be 3.6 ± 0.2 kcal/mol per base (15 kJ/mol). This is very close to the stacking energies calculated for A/T base pairs in earlier experiments. (The stacking energies for G/C base pairs in DNA are about 61 kJ/mol.) . Laurence A. Moran 2007 ).

    2.−  Sahin Buyukdagly; Etude de la dynamique et de la physique statistique de modèles d'ADN non-linéaires à la dénaturation thermique. 2007. Thèse physique théorique. Université Joseph Fourier- Grenoble I.

    Paires voisines   A-T T-A A-A ou T-T G-A ou T-C C-A ou T-G A-G ou C-T A-C ou G-T G-G ou C-C C-G G-C
    ∆H (eV)   0.347 0.361 0.367 0.396 0.406 0.41 0.42 0.449 0.465 0.465
    ∆H (kJ/mol)  33.5 34.8 35.4 38.2 39.2 39.6 40.5 43.3 44.9 44.9
                           
    Tab. 2.2: Energies d'empilement en fonction des paires de bases adjacentes répertoriées dans le sens 5'→3'. On rappelle que 1 eV ≈ 96.5 kJ/mol.

     Tableau tiré de R.D. Blake et al. 1999; Statistical mechanical simulation of polymeric DNA melting with MELTSIM; Table 1.Nearest stacked and paired neighbor energies. Bioinformatics (1999) 15 (5): 370-375. doi: 10.1093/bioinformatics/15.5.370.

    Lui-même tiré de R.D. Blake et al. 1998; Thermal stability of DNA; Table 2a. Nearest stacked and paired neighbour energies; (1998) 26 (14): 3323-3332. doi: 10.1093/nar/26.14.3323.

    Quantique:

    Qantum entanglement between the electron clouds of nucleic acids in DNA; Elisabeth Rieper, Janet Anders and Vlatko Vedral 2011; in http://arxiv.org. 

    Analyse de l'article par  Vincent Verschoore Educpop, science et économie dans nouvel obs du 07-02-2012

    [  − − −   l’ADN pose un problème de physique pure (parmi d’autres) qui est que sa balance énergétique n’est pas équilibrée : il faudrait pour que cette structure particulière tienne comme elle fait, plus d’énergie qu’elle ne semble avoir à sa disposition. D’où l’idée d’un groupe de chercheurs de l’Université de Singapour, de tester l’effet d’intrication quantique sur l’ADN.

    Donc notre équipe a construit un modèle théorique de l’ADN dans lequel chaque nucléotide est formée d’un nuage d’électrons, négatif, autour d’un noyau central, positif. Le nuage se déplace relativement au noyau, créant ainsi un dipôle et une oscillation harmonique ou phonon. Au sein de l’ADN, quand les nucléotides se lient pour former une base, ces nuages doivent osciller dans des directions opposées l’un de l’autre afin de garantir la stabilité de la structure. La question alors posée par Elizabeth Rieper et son équipe est : que se passe-t-il quand ces paires de bases s’empilent afin de former la double hélice ?

    La question est cruciale car les phonons étant des objets de nature quantique, ils peuvent exister dans un état intriqué et de ce fait résoudre le problème énergétique mentionné en introduction. Démontrer de manière théorique que les phonons sont intriqués sous conditions de zéro absolu ne pose pas problème, mais l’équipe est parvenue à en faire la démonstration à température ambiante – celle de la vie.

    Elle y parvient en démontrant que le phénomène de “phonon trapping”, déjà connu dans le domaine de la supraconductivité pour limiter la capacité d’échappement des phonons, existe au sein de l’ADN: la longueur d’onde des phonons correspond à la taille de l’hélice ADN et crée de se fait des ondes stationnaires engendrant le phénomène de phonon trapping.

    Dans un modèle ADN au sens de la physique classique, l’oscillation des ces phonons ferait vibrer la structure et la détruirait. Pour qu’elle résiste, il faut que le mouvement global de la structure soit nul à tout moment, et ceci ne semble envisageable que si les phonons existent dans des états superposés – ou intriqués: la somme des états de chaque phonon étant alors nulle (le mouvement lié à l’un des état étant compensé par celui lié à l’autre état, superposé), la structure est stable.

    Donc, selon ce modèle, c’est l’intrication quantique qui serait à la base de l’existence de l’ADN et, partant, de la vie. Ce qui reste évidemment à prouver de manière expérimentale, mais pourrait révolutionner le lien entre biologie et mécanique quantique ! D’autant que les auteurs de l’étude terminent leur conclusion de la manière suivante :

    ”Nous avons démontré qu’une base ADN simple contient de l’information au sujet de son voisin, questionnant ainsi l’idée habituelle de traiter chaque base individuelle en tant qu’élément d’information indépendant.” ]

    6.3.15 Paris

    ADN physique cours  de Maria Barbi, UPMC 2015.   Thèse 2010 : Structure et fonction, modélisation de l'ADN.

    Barbi cours Information (séquences).  Essaye de savoir s'il y a des ondes dans l'ADN (résonance?), DSP (densité spectrale de puissance) à partir du slide 14.

    Barbi cours Thermodynamique. Montre la géométrie des paires de base en relation avec le stacking (empilement) et les paramètres de l'ADN.

    Chercher d'autres valeurs d'empilement dans le dossier supromolecular:

    Yakovchuk-2006.pdf: sépare appariement et empilement. A lire.

    Wiki-en       Stacking       Cation-pi interaction                  cours  cation-pi     cation-pi-2005                    articles   cation-pi-1999    cation-pi-2007  K-channel-2011

    24.3.15 Paris               Suite de la réflexion commencée dans liaison covalente biotique avec l'état de transition.

    Points à traiter dans le cadre de la synthèse de la résonance.

    • Les problèmes que posent les théories de la thermodynamique:
      • Les champs électro-statiques à bannir (à cause de l'action à distance dans le vide) −−> chimio-osmose −−> concept de A/R −−> pores.
      • Coppey réfute la thermodynamique  pour le déplacement des nucléases à la recherche de leur site d'action.       (liaison covalente biotique 3.3.15)
      • L'état de transition n'est pas lié par une liaison covalente : mimic−enzymes; Dynamique enzymatique dans l'état de transition;          (liaison covalente biotique 16.3.15)
      • Pourquoi les réactions intramoléculaires spontanées existent en biotique, et même à son détriment avec l'isoaspartate, alors que les réactions thermodynamiques spontanées comme les hydrolyses n'existent pas, toujours en biotique?                               (liaison covalente biotique 18,21,23.3.15)
      • Pourquoi les liaisons esters, en biotique, sont directionnelles alors qu'en thermodynamique elles sont réversibles?
    • Un nouveau concept, la résonance en milieu liquide: C'est la mise à l'unisson entre 2 molécules en vibration.
      • Les forces de London, les forces de VdW et les forces ioniques peuvent créer des vibrations qui peuvent entrer ou non en résonance.
      • L'électrostatique = circulation + groupes d'aas (salt bridges: schémas à retrouver dans la littérature).       salt bridges wiki  salt bridges-2011
      • Les orbitales frontières à reprendre avec les agrégats (liaison covalente biotique 4.3.15). Elles sont entre les forces électrostatiques et la liaison covalente de nature différente, quantique.
      • Stacking / métal
      • distance de calcul à l'instar de la quantique ou échelle de résonance.
      • Scénario −−> l'organisation dessine des routes de circulation (vibrations spécifiques).

    25.3.15 Paris   suite de la réflexion d'hier sur la résonance.

    • Plasmides −−> 1 protéine c'est 1000 bases, cela vient de la résonance; de même le % GC est identique à celui du chromosome.  (Base de données PLASMIDES )
    • J'ai déjà vu des peptides petits en dehors de ceux du ribosome, mais où?
    • La circulation due à la résonance −−> le jeu de ça chauffe.
    • Une structure, plus elle est grande plus elle rayonne ou concentre comme la sphère. Une protéine rayonne (la résonance).
    • L'ADN, c'est la résonance maximum de nature différente de celle de l'électrostatique. Elle s'éclate en ARN qui est immédiatement neutralisée par les aas.
    • La structure qui concentre la résonance (liposome) définit du coup une chimie intérieure spécifique. Cela se reproduit  avec les organelles.
    • Le liposome: rayonne avec le feuillet externe et concentre avec le feuillet interne. La circulation par les pores et due à la résonance fait communiquer ces 2 mondes.
    • Dans le cas de la vésicule à 1 seule couche lipidique, il y a concentration seulement, c'est le stockage. (vérifier que ces vésicules existent et les décrire)
    • Le stacking dans les protéines  −−> il dévie la circulation ( idée à développer).

    30.3.15  Paris

    Après avoir lu hier Yakovchuk-2006 (voir ici 6.3.15), ce matin je penses que le champs magnétique, notamment celui créé par un cycle aromatique, agit à distance et n'est pas écranté par les molécules avoisinantes comme pour le champs électrique. Il agit uniquement sur l'orientation des spins (sens de rotation (droite gauche?)) de l'électron et du proton (protons du noyau ou protons libres). Dans l'ADN le champs magnétique d'une paire de base est relié à celui de ses voisines immédiates. Ces champs ne s'additionnent pas sinon, pour un chromosome de 100 millions de pbs, on aurait un champs colossal. Ce que personne n'a pu remarqué. Par contre le relais, fait par les nuages d'électrons et les atomes des bases et grâce à la courte distance entre ces bases, permet de transmettre des ondes, donc de l'information à grande distance dans l'ADN. D'où la résonance et la cohérence dans un double brin d'ADN.

    Par ailleurs les protéines ont 4 acides aminés aromatiques ( les pendants des 4 ou 5 bases des acides nucléiques?). A part His ils ont un cycle aromatique à 6 carbones, à l'aromaticité max (champs magnétique max?) qui joue le rôle d'antenne pour les autres champs magnétiques. Ceci explique l'attirance des protéines pour les bases nucléiques désappariées. D'où la formation des ribosomes et l'attrait de ces derniers aux ARNms, la réparation de l'ADN et le déplacement rapide des nucléases pour retrouver leur site d'action, constaté dans les expériences (coppey, voir liaison covalente biotique). Les bases nucléiques contiennent N et O qui diminuent leur aromaticité mais leur est nécessaire pour s'apparier et créer le relais entre les champs magnétiques. De ce point de vue là l'ADN devient le summum de l'organisation en créant de l'information dynamique. Si l'on ne considère que la séquence des bases, qui est une information statique (qui nous parle parce qu'elle correspond à notre logique, mais nous oublions que nos informations n'ont de sens que si on les utilise, c'est à dire qu'on est nous même le moteur dynamique qui leur donne un sens), il n'y aurait pas d'évolution. L'évolution prébiotique va justement rassembler les premières informations dynamiques. Elles seront d'autant plus dynamiques que les participants seront peu nombreux. Cela revient à dire que les 1ères séquences doivent être reliées fortement (par leur nature et par leur nombre). Du coup elles imposent une contrainte physique aux groupements d'aas qui vont les contraindre à leur tour jusqu'à l'établissement d'une liaison covalente. Ce sont les 1ères liaisons covalentes qui sont, pour moi, légitimes dans le sens où elles sont compatibles avec l'évolution globale du vivant en créant de plus en plus d'ADN. C'est l'équivalent de la croissance d'un cristal. C'est comme cela que j'ai créé le concept de croissance. Rappelons que l'ADN est un cristal liquide comme le liposome, mais c'est le plus rigide des tous les constituants dynamiques du vivant. Le liposome est le plus souple de ce point de vue là et permet donc de s'adapter au milieu externe.

    Le champs magnétique créé par un cycle aromatique est une boucle. Le champs est beaucoup plus faible en dehors de l'axe. Est-ce que l'ADN est recouverte de ces champs faibles. Ou bien une question plus pertinente: est-ce que ces champs représentent assez les bases qui sont cachées jusqu'à ce que les protéines et les aas puissent les repérer? et être attirés par certaines séquences et pas par d'autres? Cela ne crée pas l’emboîtement clé-serrure cher à l'enzymologie, cela permet par contre de les rapprocher.

    01.4.15 Paris     Dossier ADN-aromaticite

    Le champs magnétique des cycles aromatiques.

    Revoir automate moléculaire prébiotique : dans l'ADN spécialement avec le 2'H qui raccourci les distances, le stacking des paires de bases doit être parfaitement ajusté, comme dans un automate, pour qu'apparaisse une dynamique. Cette dynamique structure le cristal liquide qu'est l'ADN et crée les contraintes nécessaires pour interagir avec les acides aminés qui essayent d'établir des liaisons hydrogène avec elle.  Qui dit dynamique, dit force et celle-ci prendrait la forme d'un champs magnétique, comme signalé le 30.3.15,  qui devrait avoir des caractéristiques spécifiques. Dans la spectroscopie RMN on représente le champs magnétique du noyau aromatique. Mais celui-ci est supposé apparaître par réaction au champs magnétique externe nécessaire aux mesures ( induction de la circulation des électrons). Pour moi l'ajustement parfait du stacking devrait imposer une circulation particulière des électrons d'une paire de bases, d'où un champs magnétique particulier qui, comme je l'ai dit le 30.3.15, agit sur les spins à l'extérieur de l'hélice ADN.

    J'appelle ce champs magnétique, champs magnéto-biotique. D'ailleurs la spectroscopie RMN ne mesure pas ce champs, car il doit être faible et très complexe, reflétant la résonance de l'ADN. Si on remplace la Thymine par l'Uracile ( dRU au lieu de RU dans l'ADN), le nouveau champs créerait un désordre et contraindrait les acides aminés à agir en profitant de la possibilité de créer un lien hydrogène avec l'Uracile. En effet l'Oxygène en 4 de l'Uracile possède 2 doublets qui ne sont pas contrecarrés par un méthyle comme dans la Thymine. Il faut revoir ces affirmations notamment pour l'ARN où la réactivité de l'Uracile dirige avec celle du 2'OH tout le comportement de l'ARN. Le méthyle de la Thymine, électrophile, devrait avoir une très grande importance en neutralisant les doublets libre de O4.

    Histidine: s'il y a un acide aminé qui devrait réagir fortement avec ce champs magnéto-biotique et établir une liaison hydrogène, c'est l'Histidine. F W Y devraient servir à approcher l'ADN et le site en question.

    Le champs magnéto-biotique doit posséder 8 configurations localement par rapport à une paire de bases données, les 2 paires de bases voisines, le sens de leur position et leur identité: par exemple pour AT, on aura AT ou GC d'un côté puis de l'autre côté et dans les 2 sens. Pour étude locale on a donc à considérer 16 configurations. Voir les résultats de la mécanique quantique ci-dessus " Qantum entanglement between the electron clouds of nucleic acids in DNA.....".

    9.4.15 Paris   réflexion faite à Mainz le 7.4.15

    • La résonance globale, qui correspondrait à la prise de conscience de soi au niveau humain, serait celle du liposome.
    • La résonance dans l'ADN serait de partager le nuage électronique entier d'une paire avec la paire suivante. Je veux dire que tous les électrons du nuage d'une paire se retrouvent d'un seul côté ( avec une probabilité très faible de passer près des noyaux positifs de la paire).
    • Ceci est renforcé par le pi-déficit des bases A T G C .
    • Ceci est rendu possible grâce à la courte distance entre les plans des bases, 3.4 A°. La présence du 2'OH augmenterait cette distance et perturberait la résonance. La présence de dU dans l'ADN détruirait sa résonance à laquelle sont sensibles les protéines de protection et de réparation de l'ADN (ou les groupements d'acides aminés).
    • La résonance augmenterait avec l'hydrophobicité :
      • le 2'OH c'est quasiment du H2O, donc hydrophilicité,
      • les 2 doublets de l'oxygène O4 de la thymine pouvant récupérer un hydrogène H, par tautomérie, sont contrés par le méthyle CH3 sur le C5.
    • La danse des protons: 8 H pour la paire GC et 6 H pour la paire AT. Les H du CH3 n'appartiennent pas à l'aromaticité. La tautomérie est peut-être stabilisée par le stacking et l’appariement, mais il est fort possible que la résonance et la danse des électrons entraînent celle  des protons des noyaux aromatiques. Les protons se trouvent sur le plan des bases, alors que les électrons du nuage aromatique se trouvent au-dessus. Qu'en est-il du champs magnéto-biotique évoqué le 1.4.15? Que signifie courant électrique au niveau du nuage aromatique et en relation avec des protons plus ou moins mobiles? Est-ce qu'il y a un seul champs, le magnétique, alors que le champs électrique serait tout le temps nul par la présence des protons mobiles? Quelles vibrations sont propagées à  la surface de l'ADN? J'ai l'impression qu'on est, à l'intérieur de l'ADN, en face de processus que les théories classiques ne peuvent pas encore appréhender et que la quantique n'a peut être qu’effleuré avec l'intrication (Qantum entanglement) parce qu'on manipule des structures à des échelles mésoscopiques et non atomiques (ou petites molécules).
    • La résonance de l'ADN mettrait en jeu les 3 seules particules physiques que peut fournir l'état liquide: le proton, l'électron et le photon (résonance). C'est la seule structure qui puisse le faire à grande échelle. Les liaisons hydrogènes des protéines ne permettent pas la mobilité des protons. Par contre les acides aminés aromatiques seront très sensibles à l'aromaticité nanoscopique des bases de l'ARN, parce que souvent non-appariées et que l'ARN est relativement moins structurée que l'ADN. Cette sensibilité est exacerbée quand quelques bases de l'ADN sont désappariées et que sa résonance impose encore une très forte contrainte.

    10.4.15  Paris

    Aromaticité du benzène (cours):  maximum (sans substitution ni hétéroatome), elle est de 150 kJ/mol. Cette quantité mesure donc l'accroissement de stabilité qu'acquiert la molécule de benzène du fait de son caractère aromatique: différence entre le benzène réel (hydrogénation de 210 kJ/mol) et le benzène hypothétique à 3 doubles liaisons (hydrogénation de 120 kJ/mol et par liaison).

    Dans la pyridine le doublet non liant de l'azote ne participe pas au système aromatique. En revanche dans le pyrrole ce doublet y participe. ( même cours).

    11.4.15 Paris

    La liaison hydrogène aromatique: le substituant NH2 des bases nucléiques a un doublet qui peut entrer en résonance avec le nuage aromatique du cycle. Seulement en bout de chaîne il n'est pas stable et subit le phénomène de parapluie propre à N. Le substituant O, a lui, une double liaison avec le carbone du cycle et donc a un sp2 qui entre en résonance avec le cycle, mais il a un grand excès de charge avec ses 2 doublets libres. Quand il y a appariement entre les bases, les liaisons hydrogène deviennent l'équivalent de double liaisons, certes plus longues que les double liaisons CC ou NC, à condition que sur les 2 atomes on ait un doublet sp2 chacun et stabilisé. C'est le cas de N dont l'effet parapluie est directement stabilisé par la liaison hydrogène. Par contre avec O les 2 doublets libres attirent, plus à lui, l'hydrogène de la liaison hydrogène ce qui rompt la résonance. Pour qu'il y ait résonance il faut attirer ces doublets par un noyau électrophile pour équilibrer la liaison hydrogène.

    Il faut noter d'abord que la liaison hydrogène NHN où les 2 N appartiennent aux 2 cycles, il y a symétrie et apparaît la plus courte par le rapprochement des 2cycles, donc plus forte que les autres liaisons hydrogène NHO dont N et O ne sont pas dans leur cycle respectif. On trouve dans les tRNA, dans la boucle TPC, l'appariement AT reverse Hoogsten, avec le NHN ayant le N de A dans le cycle imidazole (5 sommets) au lieu du cycle pyrimidique (6 sommets). Dans cet appariement les liaisons hydrogène sont obliques par rapport au squelette. Si cet appariement se trouvait dans l'ADN, il casserait la résonance car les liaisons hydrogène y sont perpendiculaires au squelette.

    Les liaisons hydrogène NHO: dans la guanine le carbone 5 est électrophile parce qu'il a 4 liaisons covalentes sans hydrogène comme le carbone 5 de la thymine ( voir ce pdf, bases-electronique.pdf, pour les calculs des charges sur chaque atome. Malheureusement manque la thymine) . Le carbone 2 de la cytosine, portant l'oxygène, est très électrophile parce qu'il est entouré de 2 N. Ces carbones électrophiles attirent les doublets libres du O et stabilisent la liaison hydrogène pour la résonance. Dans le cas de la paire GC les 2 liaisons hydrogène NHO s'équilibrent et renforcent la résonance par symétrie par rapport à la la liaison NHN. Dans le cas de la paire AT, si on avait l'uracile à la place de la thymine, le déplacement du O vers le NH déformerait la géométrie de l'ADN, en laissant un grand vide du côté du squelette. Le CH3 de la thymine apporte 3 facteurs stabilisateurs permettant une résonance étendue à toute la paire AT et du coup pouvoir rentrer en résonance, dans le cas échéant, avec les nuages aromatiques de même étendue des paires voisines, notamment la paire GC: électrophilie pour la résonance, encombrement stérique pour la géométrie et hydrophobicité pour la compaction et le rejet des molécules d'eau. C'est cet emboitement parfait de nature mécanique et quantique que j'imaginais pour l' automate moléculaire prébiotique.  Il répond de façon maximale aux 2 concepts hiérarchiquement postérieurs que sont le concept de contrainte/liberté et d'organisation: Une fois les liaisons hydrogène libérées, l'ensemble contraint l'environnement (les aas libres ou liés) à rétablir l'emboitement.

    Quelles sont les conséquences conceptuelles de la résonance de l'ADN qu'on vient de voir pour ma réflexion sur l'origine de la vie? Comment appliquer le principe de continuité ( que je pose comme 1er principe pour la conception globale du vivant) de la formation du liposome avec des bases libres à la formation des premières longueurs d'ADN où les bases sont liées sous forme de nucléotides? De même pour la formation de l'ARN?

    1. La résonance dans l'ADN, comme nous venons de le voir, pose une contrainte forte et strictement minimaliste qu'on ne retrouve que dans cette structure:
      • Quatre bases uniquement, ni plus ni moins, chez tous les êtres vivants alors que les protéines peuvent avoir des acides aminés codants propre à certains organismes, que l'ARN non codant peut contenir des bases très modifiées en grand nombre et que les phospholipides du liposome peuvent caractériser des domaines entiers du vivant.
      • L'appariement des bases est unique et invariable, alors qu'il existe pas moins d'une centaine d'appariements dans l'ARN non codant.
      • Une base, la thymine, est affectée presque exclusivement ( TPC du tRNA obtenu par modification post-transcriptionnelle) à l'ADN avec un appariement propre à l'ADN. Elle ne sert qu'à la synthèse de l'ADN et non à l'ARN, puis elle est modifiée pour rejoindre le métabolisme central. Et si l'on se positionne au début de l'évolution moléculaire, avant la mise en place du métabolisme entier, elle peut être issue de la voie métabolique de l'uracile en 3 réactions simples ( KEGG ):
        • la 1ère réaction, commune à tous les nucléosides sauf la désoxy-cytidine, donne la désoxy-uridine. C'est une transférase (donc pas une condensation déshydratante) : EC 2.4.2.1  2  3  4. La désoxy-cytidine est elle-même issue, dans cette hypothèse du proto-métabolisme, de la désoxy-thymidine avec EC 2.4.2.6 chez beaucoup de procaryotes.
        • La 2ème réaction est une phosphorylation de type EC 2.7.1.- commune à tous les nucléosides.
        • La 3ème est une méthylation EC 2.1.1.45 utilisant le tétrahydrofolate sans cofacteur, ou EC 2.1.1.148 utilisant le tétrahydrofolate et le NADPH. Ces 2 enzymes sont toutes 2 très répandues.
      • L'introduction de l'hydroxyle 2'OH du ribose avec les ribo-nucléotides augmente la distance entre 2 paires voisines, introduit de l'hydrophilie et détruit donc la résonance de l'ADN ce qui provoque, par la forte contrainte de celle-ci, sa réparation par les enzymes ou les groupements d'acides aminés.
    2. Le principe de continuité appliqué à la formation des nucléotides: voir le concept organisation pour la formation des 1ers nucléotides à partir des bases, du glycéraldéhyde et du glycolaldéhyde ( ribose ) ou de l'acétaldéhyde ( dR ). Regroupement des dN par les groupements d'aas grâce à la forte résonance qui en découle, appariement de N ou dN. Incompatibilité entre ARN et ADN, comme on l'a vue, donc pas de panachage. L'appariement ADN-ARN écourte rapidement la longueur de l'ARN qui se voit remplacer par l'ADN par résonance progressive. C'est l’œuvre des réparases ou des groupements d'aas équivalents. Puis ligation toujours avec peptides ou groupements d'aas. Pendant ce processus la ressemblance presque parfaite entre ADN et ARN qui provoque la réparation peut provoquer aussi la duplication des 1ers brins d'ADN. Ce type de réparation continue à s'exercer dans la réplication du brin complémentaire chez le vivant actuel. La transcription va se distinguer de ce processus par le décollement de l'ARN dont les nucléotides, liés les uns aux autres, provoquent ce décollage par la force de la longueur du brin. Ce brin va être très court au début de l'évolution moléculaire, car le moteur mécanique qu'est la transcriptase et les gyrases n'existent pas encore.
    3. La formation de l'ARN: les appariements multiples, simple brin au lieu du double, l'hydrophilie et l'augmentation de la distance entre 2 paires voisines avec l'hydroxyle 2'OH du ribose comme une molécule H2O. La perte de la résonance même dans le double brin (sans protéines autour), la nature non aromatique des liaisons hydrogène entre les acides aminés eux-mêmes, et entre les acides aminés et les brins non appariés des ARNs.

    Le vivant est presque parfait: Cette finesse de l'intervention de toutes les forces faibles, même le phénomène de parapluie de l'azote, et le concept de contrainte/liberté, fait que l'organisation du vivant en une structure parfaite comme un cristal ne peut aboutir. C'est une évolution sans fin, caractéristique même du vivant. Cette notion de presque parfait a été imaginée dans la théorie des biophotons qui a pris naissance avant même la biologie moléculaire. La théorie a débuté à peu près en même temps que les premières théories de l'origine de la vie ( Oparine 1924 ) par Alexander Gurwitsch en 1922.

    Cependant ces théories ont provoqué et provoquent toujours une polémique. Leurs interprétations des résultats des expériences laisse à désirer d'un point de vue scientifique. D'ailleurs ces interprétations se polarisent sur les eucaryotes supérieurs dont l'homme, alors que ma réflexion sur l'origine de la vie se restreint par définition aux êtres les plus simples possibles, les procaryotes. Mais de nombreuses expériences ont été faites pour mesurer des photons cohérents en quantité infime. Il faudrait refaire ces expériences dans l'objectif "origine de la vie" et non dans l'esprit biophoton pour les biophotons. Car les photons sont aussi une manifestation de la résonance. Mais dans l'esprit de ma réflexion ce sont surtout les vibrations, parmi toutes les vibrations d'un liquide, qui se limitent au volume d'un liposome.

    Les théories du biophoton sont imprégnées de beaucoup d'anthropomorphisme comme d'ailleurs certains aspect de certaines théories actuelles sur les origines de la vie mais à un moindre degré.

    12.4.15 Paris

    Importance des bases nucléiques dans le métabolisme:

    D'après KEGG. R pour le nombre de réactions,  E pour le nombres d'enzymes, P pour le nombre de Pathways

      R E P     R E P     R E P
    U 15 18 3   C 5 5 1   T 8 9 1
    Uo 15 8 1   Co 14 7 1   To
    UMP 34 28 2   CMP 75 47 1   TMP
    UDP 336 206 3   CDP 16 14 1   TDP
    UTP 25 25 2   CTP 41 33 1   TTP
                               
    dUo 6 10 1   dCo 4 4 1   dTo 6 9 1
    dUMP 8 11 1   dCMP 9 10 1   dTMP 8 11 1
    dUDP 6 6 1   dCDP 6 6 1   dTDP 59 18 1
    dUTP 7 7 1   dCTP 8 8 1   dTTP 7 7 1
                               
      R E P     R E P     R E P
    A 14 16 2   G 7 10 1   X 16 12 6
    Ao 11 12 9   Go 6 8 1   Xo 5 6 4
    AMP 249 157 15   GMP 18 23 6   XMP 7 8 4
    ADP 404 397 12   GDP 52 50 5          
    ATP 573 517 21   GTP 40 46 8   hX 10 13 1
                        I 7 9 1
    dAo 4 5 1   dGo 4 6 1   IMP 12 17 7
    dAMP 3 5 1   dGMP 4 6 1          
    dADP 12 7 1   dGDP 6 6 1          
    dATP 13 7 1   dGTP 9 8 1   dI 2 3 1

     On connaît l'importance des ribonucléotides dans le métabolisme notamment comme transporteurs d'énergie ( ATP et GTP ) mais aussi comme messagers ( GTP ).

    Les pyrimidines agissent au niveau de la paroi, des antigènes et des antibiotiques ( U ). CTP est très important pour la synthèse de la tête hydrophile des phospholipides. Pourquoi CMP est très présent? Il va sans dire l'importance de la synthèse de l'ARN.

    Les désoxyribonucléotides interviennent dans très peu de réactions, sauf pour le dTDP. Il va sans dire l'importance de la synthèse de l'ADN. Mais je ne connaissais pas l'importance de la thymidine pour les antigènes et les antibiotiques, pour les procaryotes, c'est important pour ma réflexion  sur les origines de la vie. Certains des réactions avec la thymidine n'utilise qu'elle et pas l'uridine.

    Enzymes procaryotes faisant intervenir dTDP:   EC 241.289 311 27                  EC 241.316 317 318              EC 241.322   .....

    Enzymes des enterobactéries dont E.Coli, ne faisant intervenir que la thymidine pour la synthèse de l'antigène ECA: 

    La voie métabolique utilise dTDP tout le long de la voie à partir de dTTP + glucose  EC 277.24 ( 1 seule réaction, donc propre au dTTP) puis

    EC 241.325 231.210 261.59 261.33

    EC 111.266 421.46 513.13 513.27

    EC 532.3 532.4 ….....

     

    GC    −−−−>   CL   −−−−>   Laa  −−−−−>  aaM ( les N dans le métabolisme) −−−−>   AU, dAdT             ( L pour liposome).

     

    13.4.15 Paris

    La liaison hydrogène aromatique CHO: c'est la suite de la liaison hydrogène aromatique du 11.4.15. C'est bien une nouvelle liaison que je conçoit ici, 2 orbitales pi parallèles, appartenant  au réseau aromatique de la paire AT, séparées par une distance, certes plus grande que celle de la liaison hydrogène NHO modifiée par CH3, mais elle reste du même ordre de grandeur, pas plus de 5 A° ( pour NH2 hypothétique, il faut compter 3 A° max pour la liaison hydrogène hypothétique, 1 A° pour N et 1A° pour la liaison NC. Ou autrement dit les longueurs CNHO (à partir du carbone 4 de la thymine) et CHO (à partir du carbone 2 de l'adénine) seraient identiques). Ce n'est pas une liaison hydrogène classique et ce n'est peut être pas une liaison du tout, entre le carbone 2 de l'adénine et l'oxygène du carbone 2 de la thymine. Cette liaison pi-pi doit certainement participer à l'aromaticité de la paire AT et lui donne sa raison d'être ainsi que celle du méthyle CH3 de la thymine. Par comparaison avec la paire GC, la paire AT a à peu prés la même aromaticité ce qui permettrait la résonance des 2 nuages aromatiques. Ou autrement dit, les 2 nuages ont la même surface mais des intensités et des propriétés différentes. C'est ce qui permet de distinguer les 2 nuages aromatiques tout en remplissant le même rôle dans la résonance. On aurait la même résonance si l'adénine avait un NH2 à la place d'un H sur le carbone 2. Mais à ce moment là les énergies de liaison des 3 liaisons hydrogènes de AT et de GC seraient identiques et la résonance de l'ADN ne variera pas sur toute sa longueur. Les vibrations émises à l'extérieur ne seront pas repérables par quelque molécules que ce soit. En plus l'ADN serait très difficile à désapparier.

    14.4.15  Paris                   suite de la liaison hydrogène aromatique CHO

    L'effet tunnel pour la résonance de la liaison CHO: étant donné la distance presque équivalente à la liaison NHO, la résonance totale de la paire AT et la symétrie qu'aurait pu apporter une vraie liaison hydrogène ( à l'instar de la paire GC), l'hypothèse que les 2 orbitales pi de CHO puissent entrer en résonance et échanger leurs électrons, faisant partie intégrante de la résonance globale de la paire AT, me paraît tout à fait probable et caractériserait de façon unique le rôle unique que joue la thymine dans l'ADN et non dans l'ARN. Cette délocalisation des 2 électrons se ferait alors par effet tunnel et même par l'effet tunnel résonant. Ceci n'est qu'un exemple de phénomènes quantiques qui ne peuvent se dérouler qu'à ce niveau d'échelle de distance. Est-ce que la base dU à la place de la base dT aurait-elle encore un effet semblable? J'ai déjà proposé le 13.4.15 que le groupe méthyle réduit l'électronégativité du O4 et le déplace par son volume vers l'adénine, ce qui réduirait géométriquement la distance CHO avec dT. Est-ce que cette infime différence fait que dT entre en résonance par effet tunnel et ne le fait pas pour dU? dU détruirait ainsi la résonance de l'ADN, ce qui contraindrait les groupes d'acides aminés ( ou les enzymes) à expulser dU.

    Cette hypothèse répond à une question pertinente: pourquoi dT est affectée à l'ADN? Mais elle ne répond pas à une autre question aussi cruciale:  pourquoi T (la ribose-thymine) ne se retrouve-t-elle pas dans l'ARN? Cette question est encore plus énigmatique quand on sait que les tRNA possèdent une ribose thymine qui est obtenue non pas par son insertion, mais par modification d'une uracile déjà insérée dans le tRNA lors de la transcription et que la thymine libre existe dans le métabolisme central. Il n'y a pas de ribosides de la thymine du tout! C'est comme si la fonction 2'OH et le méthyle en 5' étaient incompatibles pour les groupements d'acides aminés (ou les enzymes). D'ailleurs, dans le métabolisme actuel, les enzymes EC 2.4.2.x qui arriment le désoxyribose-P aux bases puriques ou pyrimidiques ne fonctionnent pas pour la dT et dC sauf 2.4.2.6 qui permet un échange symétrique: base1 + dbase2  <=> dbase1 + base2. Pour obtenir dT, si on ne tient pas compte de cet enzyme et des enzymes complexes à thioredoxine, on est obligé de passer par dU dont le dUMP est méthylé avec EC 2.1.1.45 ou 148. Mais pour dC il n'y a pas d'autres solutions.

    A voir demain: groupement d'acides aminés contraints (GaaC) et groupement d'acides nucléiques contraints (GanC) pour répondre à cette impossibilité, au début de l'évolution moléculaire, de réaliser une synthèse de riboseT qui aurait pu entrer dans la synthèse de l'ARN. Les groupements contraints le sont par le substrat et par les grandes structures qui les environnent, liposome, ions hydratés, premiers peptides et nucléotides.

    La probabilité que ces groupements synthétisent une molécule donnée à partir de substrats donnés est d'autant plus grande que ces substrats sont grands et imposent une forte contrainte, toute en tenant compte d'un environnement adéquat. Tout à fait au début de l'évolution moléculaire la seule structure environnante est le liposome et son intérieur avec les ions hydratés. Les petites molécules les plus contraignantes seront les désoxynucléotides (GadnC) qui se regroupent grâce aux GaaC et à la surface liposomique. On peut appeler ces synthèses à probabilité élevée d'aléas contraints. Les aléas absolus ou non contraints seraient dus à des synthèses complètement au hasard. Dans la littérature ces aléas absolus dus à des combinaisons de dizaines voir de centaines d'aas ont des probabilités nulles à l'échelle de notre univers.

    C'est le schéma de l'évolution moléculaire contrainte: elle commencerait par l'ADN du aux bases contenues dans la soupe prébiotique puis par les aléas contraints de nouveaux désoxynucléotides. Les GaaCs faits sur les nouveaux brins d'ADN seraient semblables à ceux formés sur les 1ers brins d'ARNs formés par appariement sur les 1ers ADN et contraindraient ARNs et acides aminés à synthétiser des ligases et des enzymes de réparation. Ces GaaCs ont le plus de chance de se former grâce à la forte contrainte de l'ADN devenant de plus en plus longues donc de plus en plus contraignante. Ainsi l'évolution moléculaire contrainte procède de haut en bas par la contrainte. Les aléas contraints sont peu efficaces et à faible probabilité, mais ils se font quand même de proche en proche. Une petite molécule incompatible, fabriquée par ce processus, aura moins d'impact sur une grande structure contraignante, résonante et cohérente déjà en place et fonctionnelle que par le processus inverse où la contrainte par les petites molécules, pour fabriquer une structure plus grande, doit avoir un sens ( je veux dire un objectif, un plan, un programme hors, en fin de compte, le programme est contenu dans l'ADN). Les seuls petites molécules, au début de l'évolution moléculaire,  qui peuvent se regrouper et former une structure non rigide (liaisons covalentes) et contraignante ce sont les acides aminés en liaison non covalente avec le liposome (grâce aux zwitterions des 2), en liaisons hydrogène entre eux et avec les bases nucléiques (ARN); puis les acides nucléiques qui se rassemblent par aromaticité sous forme de structure ADNéique et enfin les ions hydratés qui organisent l'ensemble du volume avec l'aide de la membrane.

    16.415  Paris                suite de l'effet tunnel

    Attention il ne faut pas croire que c'est l'effet tunnel exactement comme il est conçu en physique des solides. Je n'emprunte ici que la ressemblance quantique: distance compatible avec les phénomènes quantiques et passage des électrons d'une orbitale à l'autre, comme l'effet imaginé en physique des solides,  pour participer au nuage aromatique. Il se peut même que ça soit un effet tunnel propre à l'aromaticité. Cet effet je l'appellerais "effet tunnel biotique" (ou effet ETB pour rappeler que c'est un néologisme).

    La parité: ressemblance par l'aromaticité; différence minime 2 cycles  et 1 cycle.

    La force des liaisons hydrogène: ressemblance, liaison hydrogène aromatique ( différente de celle des peptides ); différence 2 liaisons et 3 liaisons.

    L'hydrophilie: ressemblance des osides; différence par un oxygène seulement sous forme -OH ( et non =O) qui est quasiment une molécule H2O.

    La résonance: c'est l'aromaticité des cycles plus celle des liaisons hydrogènes comme je l'ai imaginée le 11.4.15. La ressemblance fait que dans l'ADN les résonances de chaque nuage aromatique entrent en résonance; la différence c'est la liaison CHO de type hydrogène et à effet ETB, soit 3 liaisons hydrogènes normales dans GC et 2 liaisons hydrogènes normales plus une liaison hydrogène ETB.

    Accélération de l'évolution moléculaire: C'est une hypothèse qui ne repose sur rien du tout, mais par continuité de la réflexion sur la ressemblance qui permettrait une continuité dans les processus chimiques ( quand des groupements d'acides aminés se font pour répondre à une contrainte de l'ADN, ces groupements ne feront pas la différence entre ADN et ARN à cause de la forte ressemblance entre ces 2 derniers. C'est comme s'il y avait un leurre) et sur la différence minime qui permet de passer à d'autres processus chimiques. Cette différence minime permet l'évolution moléculaire. Pour cette hypothèse, de l'accélération de l'évolution moléculaire, la dernière différence minime que j'ai pu imaginée et qui donnerait un effet notoire c'est l'isotopie nucléaire. Comme l'effet isotopique est un effet de masse (pondérale et non numérique) et a un effet très faible sur les processus chimiques, il faudrait qu'on passe de 1 nucléon à 2 nucléons, comme pour les cycles et les liaisons hydrogènes. La différence minime est dans l'effet isotopique même. Ainsi ça sera 1H et 2H (ou deutérium). Je placerais ce 2H dans le CH3 de la thymine. On pourrait imaginer 2 ou 3 2H dans CH3 pour rendre l'effet plus notoire, mais la rareté  de 2H ne le permettrait pas. Pourquoi CH3 et pas le H du CHO. Dans CHO il modifierait la nature de la liaison hydrogène même, alors que le CH3 n' a aucun effet chimique mais intervient par son volume qui réduirait la longueur CHO et rendrait la liaison CHO plus hydrogénique et donc augmenterait la résonance de la paire AT, donc la résonance globale de l'ADN mais aussi provoquerait des contraintes plus fortes, ce qu accélérait l'évolution moléculaire. Étant donné la rareté de 2H cette accélération se limiterait à l'initialisation de l'évolution moléculaire. Cela ne veut pas dire que la vie est apparue une seule fois dans l'univers. La concentration, sur Terre, en eau lourde est de 3 pour 10 000 dans l'eau. C'est quand les groupements d'acides nucléiques sont les plus petits que l'effet de résonance ajoutée aura un impact fort sur l'évolution moléculaire. La probabilité est relativement forte ainsi.

    Les conséquences de cette réflexion d'aujourd'hui.

    Ainsi, à chaque différence minime on peut rattacher un effet quantique. Cet effet quantique se traduit par l'existence de 2 entités moléculaires. Mais puisque c'est un effet quantique se passant à très petite échelle, la ressemblance entre les entités doit être grande. Ainsi:

    • La parité ( paire de bases) donne 2 entités différentes, purines et pyrimidines, mais leur appariement donne des paires semblables.
    • La force des liaisons hydrogènes donne 2 paires différentes, mais leur aromaticité globale est équivalente.
    • L'hydrophilie donne 2 macromolécules à activité chimiques différentes, mais leur ressemblance globale ( sucre et bases) permet aux groupements d'acides aminés de passer de l'une à l'autre et permettre la continuité de l'évolution moléculaire. Cette ressemblance leur permet, aussi et surtout, de s'apparier d'où l'importance et la naissance de la transcription.
    • La résonance distingue entre dT et dU, mais leur synthèse dans le métabolisme centrale est facilité par leur ressemblance. On passe facilement ( début de l'évolution moléculaire?) de l'une à l'autre par avec l'enzyme EC 2.1.1.45 ou 2.1.1.148 qui nécessitent uniquement THF. Cette réaction est unique dans le métabolisme et dT ne sert que pour l'ADN et la synthèse des antibiotiques en relation avec la membrane. Si on admet qu'au début de l'évolution moléculaire les réactions complexes réalisées par EC 1.17.4.x ne sont pas encore apparues, on voit la seule façon d'obtenir dC est de passer par une enzyme de transfert EC 2.4.2.6. D'où la question qu'on peut se poser: est-ce qu'on peut se passer ( ou pas entièrement) de la paire GC dans l'ADN? Car plusieurs  AT amènent la résonance nécessaire à l'ADN et l'amorce de dés-appariement grâce à la faiblesse de la liaison hydrogène CHO.

    Apparemment 2 effets quantiques sont d'autant plus exclusifs l'un l'autre qu'ils sont proches et qu'ils produisent un grand effet.

    • C'est ainsi que l'hydrophilie et la résonance ne semblent pas aller ensemble: la ribose-thymine (rT) qui pourrait très bien remplacer l'uracile dans l'ARN est inexistante dans le métabolisme et n'est pas insérée lors de la transcription. Pourquoi? Parce que si on avait plusieurs rT qui se suivent dans l'ARN, il y aura résonance entre eux même; et si par ailleurs on avait beaucoup de rU, cela détruit l'homogénéité de l'ARN où les liaisons hydrogènes normales assurent une résonance réduite à quelques bases, parcellaire, à cause de 2 résonance différentes à 2 ou 3 liaisons hydrogènes aromatiques. Ainsi les 2 effets 2'OH et CHO seront détectés par les groupements d'acides aminés et la rT sera exclue de l'ARN en cours d'appariement. On voit ainsi que rT n'a aucune raison ( raison a un sens anthropomorphique, il faudrait utiliser contrainte, dans la logique du concept contrainte/liberté) d'exister dans le métabolisme, d'où son absence.
    • L'hydrophile et la force des liaisons d'hydrogène: l'hydrophile se trouve sur le squelette de l'ARN et les liaisons d'hydrogènes se font aux bouts des bases. Pendant l'appariement l'hyper activité du 2'OH, la résonance parcellaire des bases ARN ( et non des paires de bases) font que l'ARN se détache de l'ADN et reste en simple brin. Étant donné  la distance entre les effets quantiques l'exclusion n'est pas totale. Des appariements peuvent se faire entre bases de la même chaîne et même de l'ARN double-brin peut se former à l'aide des protéines. Ce sont les virus à ARN double brin. Mais fait caractéristique ces virus sont protégés par une coque protéique et sont répliqués à l'intérieur de cette coque par leur polymérase. La transcription réverse en ADN fait sortir cet ADN à l'extérieur.
    • La résonance et les liaisons hydrogènes normales: Il n'y a pas exclusion dans l'ADN, au contraire. Car si on se tablait sur la force des liaisons hydrogène pour un ADN coffre-fort de l'information il aurait suffit d'ajouter une amine -NH2 à l'adénine pour faire une résonance AT équivalente à celle de GC. Mais on aurait un ADN rigide incompatible avec les acides aminés qui doivent ouvrir l'ADN lors des contraintes. C'est la liaison CHO qui ne peut pas être absente. Elle est exclue dans l'ARN.
    • On viendrait à dire que ce sont les effets quantiques qui impose cette unique organisation en ces 5 bases, U T C A G, et uniquement ces 5 là seulement. Cela se traduit par l'exclusion d'autres purines et d'autres pyrimidines ainsi que d'autres sucres à la place du R et dR. Ces exclusions expliquent les réparations, les mutations et le début de l'évolution moléculaire à partir de l'ADN et non de l'ARN avant l'évolution de ces exclusions et réparations en moteurs moléculaires que sont les polymérases, les ribosomes et les ATPases.

    21.4.15 Paris  

                        Relecture de ces réflexions sur les liaisons hydrogène aromatiques, démarrées le 13.4.15,  et que je trouve toujours captivantes. Aujourd'hui je vais rapporter les travaux expérimentaux qui vont dans le sens de cette réflexion et étendre ce concept aux liaisons hydrogène dans les protéines. Le résultat est époustouflant, pour moi, car je pensais que l'effet tunnel ETB était un peu osé et que je n'entends, toujours pas, parler de l'aromaticité des liaisons hydrogène (pourtant moins osées, ce qui renforce l'ensemble de la réflexion) même avec ces dernières recherches bibliographiques.

    1.    Commençons par l'hypothèse la plus osée, CHO. L'article est de 2011 publié dans une revue dépendant de la Royal Society Chemistry!

    Steve Scheiner, 'Weak H-bonds. Comparisons of CHO to NHO in proteins and PHN to direct PN interactions'. Phys. Chem. Chem. Phys., 2011,13, 13860-13872  DOI: 10.1039/C1CP20427K.

    Voici le début de l'abstract:

    [ Whereas CHO H-bonds are usually weaker than interpeptide NHO H-bonds, this is not necessarily the case within proteins. The nominally weaker CHO are surprisingly strong, comparable to, and in some cases stronger than, the NHO H-bonds in the context of the forces that hold together the adjacent strands in β-sheets. The peptide NH is greatly weakened as donor in certain conformations of the protein backbone, particularly extended structures, and forms correspondingly weaker H-bonds. ]

    et sur le dessin du β-sheets il donne même une valeur comparative des forces CHO (3.5) et NHO (3.0). Je n'ai pas pu accéder au texte entier ce que je ferai bientôt étant donné l'importance de ces résultats pour la résonance de l'ADN.

    Graphical abstract: Weak H-bonds. Comparisons of CH [] O to NH [] O in proteins and PH [] N to direct P [] N interactions

    Dans wikipédia il parle de systèmes contenant des liens ...., c'est plus vague: [  les systèmes dans lesquels on retrouve des liens C—H˖˖˖O/N et O/N—H˖˖˖π.   ]. Il faut lire les références citées dont Alain Gerschel, Liaisons intermoléculaires : Les forces en jeu dans la matière condensée, Paris, EDP Sciences,‎ 2012, 2e éd.

    Dans wiki-en il y a un article spécial sur CHO  et souligne que les liaisons hydrogène (entre 2 mêmes atomes) sont plus fortes qu'avec 2 atomes différents et que la proximité des cycles aromatiques doivent avoir une influence.                 CHO-2014  et son supplément CHO-2014.pdf     revue 1998 CHO in recognition protein-DNA

    2.    La liaison hydrogène aromatique: Dans wikipédia ci-dessus, il donne l'exemple de système O/N—H˖˖˖π. Est-ce vraiment le cas de l'ADN? car on représente ce lien dans le stacking ( empilement), en chimie, perpendiculairement au plan du cycle. De même pour wiki-en, il parle de la proximité du cycle aromatique mais ne met pas dans le nuage aromatique les électrons du second partenaire de la liaison hydrogène. En quelque sorte il n'y a pas résonance. Mais wiki-en pointe sur RAHB dans l'article Resonance assisted hydrogen bond, qui détaille la réflexion que j'ai eue pour l'ADN, sauf l'intervention du CHO. Cette présentation ppt étudie aussi la chaîne des liaisons hydrogène dans les hélices alpha. A étudier à fond.

    Le ppt RAHB offre (diapo 13) le chapitre 8 du livre en détail (RAHB-chap8.pdf) et concerne les H-bonds fortes de la nature, ADN ARN et protéines. Notamment je retrouve ce qui m'interesse, les longueurs des liaisons hydrogène de GC, AT et des protéines mais la liaison CHO n'est pas représentée (page 259). A la page 264 il présente l'état de transition dans le cas de la catalyse enzymatique dans le cas des protéases, avec les longueurs des liaisons hydrogène.

    Voici un article qui étudie la liaison CH...π, CH-Pi-2008 : Ermitas Alcalde et al., '1,2-Diaryl(3-pyridyl)ethanone Oximes. Intermolecular Hydrogen Bonding Networks Revealed by X-ray Diffraction'.  Molecules 2008, 13, 301-318; www.mdpi.org/molecules. La figure 4 montre bien que le CH est perpendiculaire au plan du cycle aromatique. Donc tout à fait différente de la liason hydrogène aromatique dans l'ADN.

    Voici une étude cristallographique très poussée pour estimer le degré de liaison hydrogène de CHO par rapport une liaison CH-Pi qui est plutôt de type Van der Walls ( page 228, paragraphe 5.3 ): Munshi, Parthapratim and Row, Tayur N. Guru(2005) 'Evaluation of weak intermolecular interactions in molecular crystals via experimental and theoretical charge densities', Crystallography Reviews, 11: 3, 199 — 241. CHO-CHpi-2005.pdf   La revue.

    Voici une étude de 1998 qui évoque l'effet tunnel pour NHO: NHO-1998-tunneling.pdf. Une revue sur CHO et autres de 1999 : CHO-review-1999.pdf .

    Review liaison hydrogène 2006: hydrogen-bond-2006-review.pdf              revue 2009: GRODZKA-2009.pdf     

    Attention: ces études sont toutes basées sur la cristallographie. Or dans mon concept de contrainte/liberté la rigidité du cristal transformant la géométrie, elle ne permet pas de refléter la souplesse du vivant et les vibrations atomiques. Ceci ne permet pas d'avoir la variation des longueurs comme on l'a vue dans l'article essentiel sur la liaison covalente biotique: Dynamique enzymatique dans l'état de transition.

    17.5.15  Paris

    Voici peut être l'explication de l'incompatibilité évoquée le 14.4.15, paragraphe 2, "C'est comme si la fonction 2'OH et le méthyle en 5' étaient incompatibles pour les groupements d'acides aminés (ou les enzymes)": "Les terminateurs rho-indépendant, sont constitués d'une séquence répétée inversée suivie d'une série de T (uraciles sur l'ARN transcrit). Lors de sa transcription en ARN, la séquence répétée inversée adopte une structure en tige et boucle qui provoque une pause de l'ARN polymérase. L'ARN transcrit n'est plus alors apparié au brin d'ADN matrice que par la séquence d'uridines qui suit. Ces interactions A-U sont faibles et l'ARN synthétisé peut se détacher de sa matrice. La transcription s'arrête."(wiki). En effet si on avait des rT dans le métabolisme, la polymérase de transcription distinguerait difficilement rU et rT, et même si c'était le cas, tout blocage avec un rT serait nuisible, car il rendrait le gène inaccessible peut être irrémédiablement.

    10.10.15  Paris

    Résonance

    • A l'initiation de la transcription l'ADN s'ouvre et le champs magnétique apparaît. Mais comme l'opéron a été construit dans un plasmide (ou un transposon) ses extrémités sont complémentaires et l'opéron devient un aimant, s'ouvrant des 2 côtés par où passe le champs magnétique. Ce qui définit pour la transcriptase la fin de la transcription. L'orientation de l'aimant définit le sens de la transcription.
    • Les résidus aromatiques des aas sont des antennes réceptrices du champs magnétique. Le modèle est la Phe. Toute fonction ajoutée ne doit pas gêner l'efficacité de la réception. C'est l'ajout d'électrons π qui diminue cette efficacité (voir diminution de l'aromaticité), ou plutôt un électron π associé à une charge électrique qui est souvent sollicitée par le voisinage et déstabilise de ce fait le nuage des électrons délocalisés.
         Ainsi Tyr possède OH d'un pKa de 5,8 (à vérifier). La charge de His se trouve dans le cycle et non à l'extérieur. De même le doublet π de Trp fait partie du cycle. Il ne peut y avoir une fonction CO2− ou NH3+ et même une amide collée à Phe. De même une cétone (=O) car elle apporte une liaison π. Une cétone branchée à un cycle aromatique détruit la symétrie du cycle. Il devient étoilé donc attaquable. Il faut approfondir l'étude sur la diminution de l'aromaticité. C'est ainsi que j'ai remarqué que le catabolisme des bases puriques commence par l'oxydation (=O) du cycle: hX, X et enfin urate (voir KEGG).
         Pour un aa aromatique, le fait de porter une fonction chimique, Tyr, Trp et His rend cette fonction pilotable à distance par le champs magnétique.
         Par contre pour l'ADN les fonctions ajoutées au cycle (=O, NH2) amènent des doublets π qui apportent une nouvelle aromaticité par liaison hydrogène lors de l'appariement des 2 brins de l'ADN (voir "La liaison hydrogène aromatique" ci-dessus du 11.4.15). Dans les conditions biologiques (pH~7) ces fonctions ne sont pas chargées.
    • Pourquoi la synthèse de la tête hydrophile nécessite le passage par la cytosine et pourquoi pas l'uracile ou la thymine, si on excepte les purines parce que trop encombrantes?
      • J'avais dit dans "chiralité prébiotique" que la cytosine apportait NH2 et =O, mimant un aa.
      • Mais aussi NH2 est moins attaquable que =O faisant 2 avec l'autre (=O du carbone 2' des pyrimidines).
      • En plus la fonction est pilotable à distance comme pour les résidus aromatiques des aas.
      • Pourquoi le méthyle est ajouté à l'uracile pour former la thymine et ne serait pas ajouté à la cytosine? La cytosine est très souvent méthylée lors des modifications des RNA, alors qu'une méthylation unique de l'uracile lors de ces modifications, donnant alors de la thymine, n'est réalisée q'une seule fois dans tous les tRNAs (bras TPC). Par contre des modifications de l'uracile méthylée sont aussi nombreuses que pour la cytosine, comme si on avait à faire à une thymine et non à une uracile. Par ailleurs dans le métabolisme, il n'y a qu'une seule réaction commune à tous les êtres vivants (et obligatoire puisque l'ADN contient obligatoirement la Thymine) qui méthyle l'uracile en thymine (EC 211.45 (pour E.Coli) ou 211.148; voir KEGG). Ceci est du à la réactivité du =O en 4' proche du 5'. Cet enzyme utilise du THF.
    • Les cofacteurs sont majoritairement des purines, surtout A et 1 ou 2 G. Ils ont des groupements P puissants et pilotables à distances par l'antenne que représente la base. THF, vitamine B9, a 3 cycles aromatiques non nucléiques, mais ne possède pas de groupement P. La vitamine B1 contient 2 cycles aromatiques non nucléiques et agit avec un groupement P. La vitamine B6 contient 1 cycle aromatique et agit avec un seul P. La biotine pas de cycle aroamtique du tout et n'agit pas avec le P, est-elle pilotable à distance? La biotine comme les autres cofacteurs non aromatiques dont les métaux de transition pourraient intervenir avant l'apparition de l'ADN (principe de continuité). En tout cas B6 intervient énormément dans le métabolisme des aas, aas que le concept d'organisation (structure) met à la suite du liposome et ils sont nécessaires pour l'organisation des nucléotides prébiotiques.
         Le CoA est pilotable à distance puisqu'il contient de l'ADP. En fait il ressemble beaucoup à l'ATP: un ADP portant le panthotène à la place d'un P. Ce qui est contraire à la primauté de ce facteur par C.de Duve, alors que B6 oui.

    7.3.20 Tanger

    Voici l'article de Fons Wils sur la cohérence en général.

     

     

     

     

     
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  • Interactions entre un élément du vivant et l'environnement non vivant.

    Ce concept est apparu dans chimio-osmose prébiotique et a posé un problème qui sera résolu dans chiralité prébiotique. Par la suite on verra que seules les cohérences du liposome et de l'ADN sont pérennes.


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  • Interactions entre éléments du vivant.

    24.3.15 Paris

    Base de données NON-CANONICAL BASE PAIR DATABASE. Pour les RNA. L'interaction entre RNA et acides aminés a sélectionné les acides aminés codants parce qu'il peut créer un grand nombre de liaisons hydrogènes, ce que l'ADN au contraire interdit presque complètement. En effet les bases ADN ne sont accessibles aux liaisons hydrogène des aas que latéralement dans les sillons. voir croissance: Kalodimos et al. 2002.

    Il y a une interaction forte entre aas et ARN. Ce sont les radicaux des aas qui interviennent alors que dans les protéines c'est le squelette le plus important. Certes les radicaux interviennent pour la formation du squelette mais pas en tant qu'alphabet. L'interaction forte entre RNA et aas crée l'alphabet des aas que reconnaissent ADN, ARN, membrane (tête hydrophile et zone aliphatique) et protéines. D'où le concept de compatibilité.

    Ainsi l'ADN n'a que 4 bases uniquement et tout comme chef d'orchestre a une seule base propre à lui, la thymine. L'ARN va traduire son alphabet de 4 bases en un alphabet de 20 aas grâce aux multiples liaisons qu'il établit entre ses 4 bases, la réactivité du 2'OH et les modifications apportées par l'évolution moléculaire prébiotique. L'interaction n'est pas seulement de nature non-covalente, ce qui est primordial au début de l'évolution prébiotique, mais elle est aussi de nature covalente:

    • surtout les tRNAs portent des aas liés à eux par liaison covalente. Cependant certaines modifications ne contiennent que le radical, comme le radical méthyle de l'alanine. Voir dans le dossier Bases-modifiees.ods (anticodon) et ( voir tableau des modifications ) .
    • les cofacteurs des enzymes de modification sont des combinaisons de bases (nucléiques ou non) et d'acides aminés liés par liaison covalente: SAM, THF, CoA....

     

    Ces interactions créent un pont entre les 5 protagonistes que sont ADN ARN Protéine métabolisme et membrane. La membrane est relié aux aas grâce à ses zwitterions adaptés à ceux des aas. On retrouve la marque de ces 5 protagonistes dans l'élaboration de l'alphabet protéique: les petits acides aminés du métabolisme central, très réactifs; les acides aminés aliphatique chers à la membrane; les radicaux longs avec ou sans charge positive pour l'ADN; la méthionine du SAM pour les modifications de l'ARN; et la compatibilité entre ces 20 aas pour les protéines.

    23.4.15  Paris          

      Reprise des parallélismes ressemble/continuité et différence/évolution mis en évidence dans le dossier résonance aux conséquences des réflexions du 16.4.15 .

    Si nous appliquons le parallélisme ressemblance/continuité aux acides aminés il faudrait rechercher leur parallélisme différence/évolution dans les voies métaboliques et leur rôle dans les fonctions enzymatiques et les protéines en générale. C'est un des facteurs de compatibilité des acides aminés qui impose la nécessité d'un acide aminé même si celui-ci pose à l'évidence un problème de d'organisation et de cohésion. Et je pense ici au cas de l'aspartate et de l'isoaspartate.

    Donc d'après les réflexions du 16.4.15 il peut y avoir évolution si la différence entre 2 acides aminés est petite ou autrement sont très ressemblants, surtout du point de vue fonction chimique. Nous avons ainsi:

    • Les acides aminés qui diffèrent en longueur de chaîne par un seul CH2:  DE   NQ   LV 
    • Les acides aminés aliphatiques linéaires et qui sont courts: A L V I
    • Les acides aminés qui diffèrent par l'adjonction d'un méthyle: ST
    • Les acides aminés aromatiques (fonction principale) qui diffèrent par un hydroxyle, ici c'est une fonction alcool faible par la présence du cycle aromatique: FY.
    • Les acides qui ont une grande différence fonctionnelle mais une grande ressemblance structurelle: CS  KR. Ces acides aminés vont avoir une continuité par exemple dans la voie métabolique qui les fabrique ( CS ) et des fonctions évolutives très différentes ( chélation, pont disulfure, fournisseur en soufre pour les clusters FeS pour C, et  fonction alcool très utilisée pour S). K et R n'ont pas de continuité dans leur voie métabolique mais ont un comportement commun, cationique, surtout en interaction avec les acides nucléiques.
    • Enfin un acide aminé multipotent:  H qui va avoir une ressemblance fonctionnelle avec les acides nucléiques jusqu'à partager leur voie métabolique de synthèse, va avoir une autre ressemblance fonctionnelle avec C pour les chélations des métaux et interviennent souvent ensemble ou seuls dans les sites actifs. Leur différence structurelle n'est qu'apparente seulement car C a un atome S à concentration électronique polarisable équivalente au nuage électronique aromatique de H.
    • Restent les acides aminés singuliers: G P M W. Mais même là ils ont des ressemblances avec d'autres qui fait qu'ils partagent leur voies métaboliques: G avec S et T; P avec R et E, M avec  C, W avec F et Y.

    19.5.15  Paris

    J'ai cherché aujourd'hui à affiner le concept de compatibilité. A l'origine j'ai introduit ce concept pour les aas entre-eux, voir "continuité entre EM et ED" et les textes qui les suivent. Aujourd'hui en essayant de différencier entre cohérence de la lumière, terme utilisé en physique, et mon concept de cohérence wiktionary donne une acceptation du mot cohérence comme "consistance, Absence de contradiction entre des données, des idées ou des informations". Et quand on regarde le mot consistance, "État d’un corps dont les parties sont liées entre elles de manière à offrir une certaine résistance". La 1ère définition, absence de contradiction, me convient mais elle traite de données intelectuelles et non de réactions chimiques, la 2ème traite du solide, donc de rigidité, ce qui est contraire à ma réflexion jusqu'ici sur l'évolution moléculaire à la base de l'origine de la vie. Aussi je garde le terme de compatibilité comme tout processus, dont principalement les réactions chimiques (liaisons covalentes), ne bloquant pas l'évolution moléculaire (ou autrement ne rentrant pas en contradiction avec ). Dans ce sens les réactions intramoléculaires spontanées que j'ai pu relever dans la base de données KEGG ne bloquent jamais le système, puisque ce sytème a survécu. Mais 2 types de réactions intramoléculaires ( intéines et iso-aspartyle) et les dégradations entre protéines et des RNAs par d'autres protéines laisseraient penser qu'il y a contradiction et même qu'il y aurait blocage avec l'iso-aspartyle. Et c'est là justement où on passe de mon acceptation de la compatibilté à la notion de consistance, abscence de contradiction dans l'ensemble des interactions (notion de relations, proche de la notion des idées) entre les molécules du liposome en évolution. Une molécule est incompatible avec l'évolution moléculaire parce que son organisation et son rôle organisateur ne va pas à l'encontre de cette évolution (voir ma 1ère définition de compatibilté des aas). La consistance logique découle directement de cette compatibilité entre ces molécules qui sont à l'origine: 21 aas, 5 bases nucléiques, 2 sucres et 3 phospholipides ( PLG, PLE et PLS). Tous les intermédiaires qui vont naître de l'évolution moléculaire vont contribuer à cette cohérence logique et disparaissent ensuite. La cohérence physique, "Union complète entre divers éléments d’un corps", permanente ne s'appliqe en fait qu'à 2 structures: ADN et mempbrane.


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  • Liaison covalente Biotique / Abiotique

    3.3.15 Paris

    M. Coppey; Théorie stochastique des réactions limitées par le transport. Thèse 2004. Bibliothèque UPMC. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche. Cote : T Paris 6 2004 64.

    1. Théorie usuelle de la cinétique des réactions limitées par diffusion.
    2. Cinétique asymptotique de la réaction catalytique    A + B −−−> B.
    3. Principe de Pascal.
    4. Réaction catalytique tri-moléculaire  A  +  B  +  C  −−−>  P  +  B  +  C.
    5. Réaction avec excursions  A  +  B  −−−>  0      (extraction du produit, page 72).
    6.  Recherche par une protéine d'un site cible sur l'ADN.

    La loi d'action des masses ( Guldberg et Waage ): Cette loi suppose une uniformité spatiale ce qui implique un milieu d'extension infinie et à 3 dimensions. D'autres part cette loi étant relative aux concentrations qui sont des quantités continues, elle ne convient que lorsque de grands nombres de particules sont présentes afin que la notion de concentration ait un sens. Enfin, cette loi nécessite que les systèmes soient proches de l'équilibre thermodynamique. En effet pour que cette loi reste vraie, il faut que la vitesse d'évolution de la concentration d'un réactif soit proportionnelle au nombre de collisions par unité de temps des réactifs, nombre qui doit, lui-même, être proportionnel aux concentrations des réactifs. Or lorsque l'équilibre thermodynamique n'est pas atteint, les collisions n'ont pas encore réparti uniformément les impulsions des particules et la proportionnalité n'est plus vérifiée.

      Lorsque nous regardons les propriétés de certains processus physico-chimiques, et plus particulièrement les processus biologiques, les conditions de validité de la loi d'action des masses n'est plus vérifiées. Les milieux biologiques sont toujours structurés et confinés tant dans leur dimensions d'espace ( empilement de membranes et replis ) que dans leurs extensions : ils sont donc rarement uniformes spatialement. Les systèmes biologiques font en général intervenir un très petit nombre de particules, la notion d'une évolution continue de la concentration perdant alors tout sens au profit de la notion d'une évolution discrète du nombre de particules. Enfin, ces systèmes sont fortement non-linéaires ( réactions auto-catalytiques ) et loin de l'équilibre (*). Soit cet écart à l'équilibre est assuré par l'action irréversible d'une espèce chimique dont l’équilibre énergétique entre le réactif et le produit est si asymétrique qu'il draine le système vers un état hors-équilibre ( par exemple la consommation d'ATP ), soit cet écart à l'équilibre est assuré par un flux énergétique extérieur qui rend le système ouvert ( rappelons que l'équilibre thermodynamique  représente la mort assurée pour tout système vivant qui doit alors continuellement consommer de l'énergie pour survivre ). L'ensemble de ces conditions conduit au constat suivant : de tels systèmes vont présenter de fortes corrélations ainsi que des fluctuations importantes, et de ce fait nécessitent des théories stochastiques dans des milieux de basse dimensions, ce qui est l'objet de cette thèse.  (Introduction, pages 1 et 2).

    * G. Nicolis, Ilya Prigogine : Self-organization in nonequilibrium systems: from dissipative structures to order through fluctuations. Willey & Sons 1977 Newyork.

    Chapitre 6: Recherche par une protéine d'un site cible sur l'ADN     "Il a été observé expérimentalement que la réaction entre une enzyme de restriction et son site cible sur l'ADN procède bien plus vite que ce que prédit la limite de diffusion de cette même réaction.- - - - les molécules ne peuvent à priori pas réagir plus vite qu'elles ne peuvent se rencontrer. - - -  Nous devrons intégrer le fait que −les enzymes− peuvent diffuser le long de l'ADN à l'instar des réactions en basses dimensions des 1ers chapitres , et qu'elles peuvent exécuter des excursions dans la phase liquide environnante, comme dans les seconds chapitres.

    4.3.15 Paris

    1.  Mes groupes d'acides aminés et les orbitales frontières (wiki):

    "Lorsque la molécule forme un dimère physique ou un agrégat, la proximité des orbitales des différentes molécules fait en sorte qu'il se produit un phénomène de division des niveaux HOMO et LUMO (et des autres niveaux d'énergie également). Cette division produit des sous-niveaux vibrationnels qui ont chacun leur propre énergie, légèrement différentes les unes des autres. On compte autant de sous-niveaux vibrationnels par niveau d'énergie qu'il y a de molécules qui interagissent ensemble. Lorsqu'il y a un nombre appréciable de molécules qui s'influencent (par exemple, dans un agrégat), il y a tellement de sous-niveaux qu'on ne perçoit plus la nature discrète de ces derniers : ils se fondent alors dans un continuum. On ne parle donc plus de niveaux d'énergie, mais bien de bandes d'énergie."

    Est-ce que H2O a aussi des orbitales frontières? Est-ce que un liposome peut être considéré comme un agrégat? On voit que toute organisation moléculaire peut agir même faiblement sur les orbitales frontières. D'où la théorie de l'énergie d'activation,  la théorie des collisions.

    2.−  Énergie des liaisons covalentes et des interactions non covalentes ( cours de JL Mieusset 2007, concepts.pdf page 27 )       

    5.3.15 Paris

    Liaison covalente de coordination                   Liaison chimique                    liaison triple                liaison double             Orbitales moléculaires cours

    Liaison carbone-azote              Liaison carbonyle          Chimie P                  Liaison hydrogène (longueur): 4-15 kJ/mol; 150-320 pm; 130-180°

    Liaison non covalente                *−* Liaison Covalente           E  énergie en kJ/mol;     L  longueur en pm

    Interactions E   *−* E L   *−* E L *−* E L *−* E L *−* E L *−* E L
                  H−H 436 74 C−C 348 154 H−C 413 109 O−O 145 148 C=N    128
    hydrophobic < 40           N−N 170 145 C−O 360 143 H−N 391 101 O=O 498 121 CΞN    116
    electrostatic ~ 20   C-O 340 143   O−O 145 148 C−N 308 147 H−O 366 96 N−N 170 145 CΞO    113
    hydrogen bond 12 − 30   C-C 360 153   F−F 158 142 C−S 272 182 H−F 568 92 NΞN 945 110 P=O  823  152
    van der Waals 0.4 − 4   C-H 430 111   Cl−Cl 243 199 C−F 488 135 H−Cl 432 127 CΞC 839 120 P−O  594  157
    cation –π 5 − 80   C=C 600 133   Br−Br 193 228 C−Cl 330 177 H−Br 366 141 C=C 614 134  C=O  750  120
    π−π stacking 0 − 50   C=O 690 121   I−I 151 267 C−Br 288 194 H−I 298 161 C−I 216 214      

     16.3.15 Paris

    Lecture à Vendôme de Jones 2002 (du 7 au 11.3.15): Supramolecular Organization and Materials Design; W. Jones, C. N. R. Rao; Cambridge University Press;2002. (édition 2008 google books). Page 147 paragraphe 3:

    [ Micellar catalysis has been demonstrated to be effective for a large number of reactions, resulting in an extensive (although often empirical) knowledge base for predicting the behavior of general classes of reaction with different types of surfactant. For instance, the importance of micelles in reactive systems has been demonstrated during the initial stage in emulsion polymerization, as potential replacements for volatile and toxic organic solvents, as templates in the syntheses of new molecules and materials, and for developing rudimentary mimics for enzymes. ]

    La première phrase je la reprendrai dans évolution prébiotique pour argumenter la catalyse par les liposomes. La 2ème phrase m'a branché sur les mimic-enzymes qui concernent un vaste chantier de recherche pour imiter les enzymes avec les supramolécules et les "enzymes" anti-corps. Et je suis tombé sur les mécanismes réactionnels de l'état de transition étudiés du point de vue quantique en simulation numérique. A ma grande surprise j'ai trouvé un laboratoire qui démontre que, pour une réaction enzymatique donnée, le mécanisme réactionnel n'est pas celui attendu en thermodynamique statistique, mais qu'il est propre à cet enzyme. Ce qui rejoint ma réflexion sur l'hydrolyse des esters et son interdiction dans le cytoplasme favorisée par la ségrégation Na/K qui fait sortir du liposome les molécules d'eau libre du cytoplasme. Du coup il me paraît primordial de relever que les réactions enzymatiques sont non seulement imposées par les conditions loin de l'équilibre thermodynamique pour la formation ou l'hydrolyse des esters, ce qui interdit l'hydrolyse, mais que les voies métaboliques biotiques sont tout à fait différentes des réactions thermodynamiques par leurs mécanismes réactionnels même. Aussi je ne dois plus rechercher des voies métaboliques de type thermodynamique, ce que j'ai fait jusqu'à maintenant [ chiralité prébiotique, chapitre 5.2.5 'La cohésion mécanique du liposome et l'initialisation du métabolisme prébiotique' ], pour trouver les voies métaboliques prébiotiques, mais je dois réfléchir au passage du thermodynamique à l'enzymatique. Et suivant le principe de continuité il est clair, en sachant que les peptides n'existent pas ou presque au stade prébiotique, que ce sont les acides aminés en groupe, dans les conditions du liposome et avec lui et les ions, qui feront cette transition. C'est le début de l’évolution prébiotique des acides aminés en protéines et des bases nucléiques en acides nucléiques.

    Dans ce qui suit aujourd'hui je vais exposer les nouveaux mécanismes réactionnels que j'ai découvert, mais présentés du point de vue de "la recherche sur les origines de la vie" et non, comme cela est fait dans les articles lus d'un point de vue de catalyse chimique (pour des objectifs industriels et pharmaceutiques). Puis je vais redessiner l'évolution moléculaire prébiotique vers la liaison covalente biotique en partant des concepts hiérarchiquement inférieurs que sont la contrainte (pression hydrostatique) puis l'organisation (liaisons non covalentes dont les zwitterions, et surfaces minérales) et enfin  la liaison covalente thermodynamique.

    Il est à remarquer que ce n'est pas la nature de la liaison covalente qui est en question, mais ce sont les mécanismes pour y arriver qui vont évoluer. C'est ainsi que je vais décliner ces mécanismes en:

    • liaison covalente abiotique qui correspondra aux réactions et mécanismes de la thermodynamique statistique et qui produit la soupe prébiotique;
    • liaison covalente prébiotique que je subdivise en 3 types de mécanismes différents suivant le type d'organisation mis en jeu:
      • les liaisons covalentes produites sur les surfaces de type minéral dont la surface du liposome sans phosphate (têtes des acides gras seulement)
      • puis surface minérale avec les têtes phosphatées; Ces 2 premières liaisons covalentes sont de type abiotique mais aidées par la surface minérale particulière du liposome qui diffère par sa nature et la mobilité des ions surfaciques.
      • les liaisons covalentes produites par les groupes d'acides aminés. Elles sont de type enzymatique. Les acides aminés y sont:
        • en liaisons zwitterioniques entre eux et entre eux et les têtes des phospholipides, donc sur les parois internes du liposome;
        • en liaisons zwitterioniques entre eux mais dans les queues aliphatiques de la membrane;
        • en liaisons zwitterioniques entre eux dans l'espace cytoplasmique et entourant un substrat avec ou sans cofacteur;
        • en liaisons zwitterioniques entre eux et en liaisons hydrogènes avec des monomères nucléotidiques que les acides aminés peuvent empiler en double brin (ADN) ou en simple brin (ARN, ADN). Ce dernier mécanisme pourrait se faire sur la paroi interne du liposome qui piégerait les bases nucléiques hydrophobes.
    • Enfin les liaisons covalentes biotiques après la formation des protéines et qui sont de type enzymatique monomère ou multi-mère. Ce dernier type faisant intervenir les surfaces protéiques en plus.

    L'état de transition en mécanique quantique

    Dynamique enzymatique dans l'état de transition:  cours d'enzymologie, BCM2505, à l'université de Montréal (2014). Ce cours, en français, expose entre autre   la découverte de Steven D. Schwartz et al.: Atomic detail of chemical transformation at the transition state of an enzymatic reaction; PNAS October 28, 2008 vol. 105 no. 43 16543–16548.

     17.3.15 Paris

    La complexité des enzymes a été signalée dans ce blog plusieurs fois:

    18.3.15

    Voilà une réaction spontanée qui ressemble à la PNP de l'article et que j'ai relevée dans concept global 1er paragraphe du 15.10.14. Le point commun est la courte distance entre les 2 atomes réactionnels, ce qui est tout à fait naturel en intramoléculaire.

    [ Dans Kegg formation spontanée de Hydroxymethylbilane en Uroporphyrinogen I, par une condensation déshydratante entre OH et le H d'un carbone de Porphobilinogen . C'est une réaction intramoléculaire, comme attendu, c'est une déshydratation et non une hydrolyse comme attendu, mais ce qui est inattendu c'est le H pris à un carbone et non à un Oxygène ou un azote. Mais ce carbone est dans un cycle aromatique. ]

     21.3.15 Paris

    Voici les réactions spontanées du métabolisme biotique, relevées dans KEGG. Est-ce qu'on est sûr que les spontanées bimoléculaires se font dans l'eau ou bien nécessitent un environnement hydrophobe comme dans un enzyme? Les spontanées intramoléculaires peuvent se faire dans l'enzyme qui produit le réactant. C'est important de le savoir pour l'hypothèse que les H2Os libres n'existent pas dans la cellule. En tout cas il n'y a pas d'hydrolyse spontanée.

    Il faut compléter ce tableau avec les chélations de la chimie organique, notamment les métaux par les acides aminés libres (Cys His Met) et le glutathion.

    Réactions spontanées bimoléculaires et plus  Réactions spontanées intramoléculaires  Chélations spontanées   
    Betalamic a  L-Dopa + O2 EC1.13.11.-   (suivie de R08837) Décarboxylation     R0652 R07406 R06605      
              Cyclisation  **     R02962  R08829  R08833      
    Condensation déshydratante  b R08825  R08821  R08834 Condensation déshydratante  * R08837 R07947 R03166 R10013    
    Peroxydation c   R07948     Dé-Phosphate *     R07420          
    Décarboxylation acide R06605     Réaction intramoléculaire dans une protéine L-isoaspartate Intéines      
    Selenite Glutathion d R09367 R09368                    

     a   Plantes supérieures         c   3 molécules; 2 produits              d   SeO3H            ** Betalamic      * Avec cyclisation   
    b   Betalamic: Pas de cyclisation.  L-Tyr   R08825;  L-Dopa  R08827;  Dopamine    R08835;  Betalamic   R08818 20 21 31 34.

    23.3.15 Paris

     Les réactions intra-moléculaires: En biotique c'est le rRNA qui potentiellement pourrait créer des liaisons covalentes diverses s'il n'était pas neutralisé par les acides aminés ou les protéines dans le ribosome, et par les ribosomes mêmes sur les mRNA. Les tRNA sont la plupart du temps en cours de modifications par les enzymes de modification, donc neutralisés, et quand ils sont complètement modifiés, ils deviennent stables. C'est cette capacité de l'ARN à créer de nombreuses liaisons covalentes qui est exploitée dans la théorie du monde ARN en ne le protégeant pas avec des protéines. Dans l'évolution moléculaire que je propose les 4 entités, ADN, ARN, acides aminés ( et protéines) et membrane concourent tous dès le début,comme en biotique suivant le principe de continuité.

    Les protéines créent aussi des liaisons covalentes intra-moléculaires avec les intéines et l'isoaspartate.

     


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  • Organisation / Structure

    Les 1ères réflexions sur le concept d'organisation a démarré par l'étude des milieux condensés avec l'article en préparation Nanotechnologie liquide de novembre 2012. Cette réflexion est précédée de la lecture des hautes pressions de Eldik, résumé en octobre 2012. Après cela j'ai écrit la continuité en juillet 2013.

    J'ai commencé l'organisation du liposome tout à fait au début avec le pétrole prébiotique et son postulat, et avant le concept d'organisation. L'organisation du liposome est à la base des réflexions dans chimio-osomose et chiralité prébiotiques avant de la finalisée dans évolution de la membrane prébiotique.

    1.3.15 Paris

    DNA

    Dossier supramolecular.

    Hydrophobicity:

    The interior of double-stranded DNA is very hydrophobic which is just a fancy way of saying that water is excluded. Unlike proteins, the formation of double-stranded DNA is not an example of an entropy-driven hydrophobic effect, Instead it is enthalpic contributions in the form of stacking interactions that drive the reaction. However, the hydrophobic interior is essential because it stabilizes and protects the hydrogen bonds between the bases. These hydrogen bonds would not form if they were surrounded by water molecules since each of them could just as easily be replaced by hydrogen bonds with water.

    The distance between one base pair and the next is 0.33 nm, on average.Laurence A. Moran 2007 ).

    Stacking energy:  

    Changhong Ke, Michael Humeniuk, Hanna S-Gracz, and Piotr E. Marszalek (2007) Direct Measurements of Base Stacking Interactions in DNA by Single-Molecule Atomic-Force Spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 99:018302

    The force required can be used to directly calculate the stacking interactions between the adenylate residues. The value turns out to be 3.6 ± 0.2 kcal/mol per base        (15 kJ/mol). This is very close to the stacking energies calculated for A/T base pairs in earlier experiments. (The stacking energies for G/C base pairs in DNA are about 61 kJ/mol.) . Laurence A. Moran 2007 ).

    Forces:

    Principles of Biochemistry, 4/E, ©2006 Pearson Prentice Hall, Inc.

    \                   /
    CH2       H2C     hydrophobic interaction  ~3  to  10 kJ/mol     hydrogen bond   ~2  to  20 kJ/mol         (hydrophobic interaction: force de London)
    /                  \

                             vdW interaction   ~0.4  to  4 kJ/mol                charges interaction (+ −)  ~40  to  200 kJ/mol 


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