7.2.15 Paris

J'ai trouvé jusqu'à maintenant que le Ca était rare chez les procaryotes en tant que cofacteur. De même dans les statistiques des molécules Chez E.Coli il est très peu présent en tant que cation libre par rapport au Mg. J'ai même fait des recherches sur l'utilisation du calcium par les procaryotes. J'ai trouvé un seul article (à rechercher et à lier).

En faisant la compilation des enzymes intervenant dans les voies métaboliques des acides nucléiques j'ai trouvé un seul enzyme EC 3228 qui l'utilise comme cofacteur chez E.Coli alors que plusieurs enzymes d'eucaryotes l'utilisent ainsi. Voir dans ce blog les acides nucléiques prébiotiques.

18.5.2013

      Notes:     Pour l'évolution moléculaire il faut hiérarchiser les liaisons chimiques et inter-moléculaires: forces de Vd Walls, liaisons hydrogène, anhydride, ester, amide, éther. La liaison anhydride expliquerait les phospholipides à 2 acides gras.
      La liaison ester est réversible et permet la dynamique du vivant. Mais l'évolution moléculaire va donner un sens à une réaction chimique et interdire le retour. D'où l'organisation qui reste cependant réversible à un certains niveau dans le temps.

3.6.2013

En chimie la réaction d'estérification est réversible en la réaction d'hydrolyse. Dans l'eau l'hydrolyse est quasiment totale. Pour obtenir l'ester il faut le retirer de la solution par un processus physique ou chimique. Dans une cellule l'éstérification du glycérol et de l'éthanolamine par le P se fait à la surface de la membrane et bénificie des forces de surface (adhérence, pression superficielle....) pour piégé et isoler les esters formés de l'hydrolyse ( voir éstérification, chapitre rendement dans wikipédia). L'énigme de l'éstérification se situe dans le cytoplasme où l'eau constituant plus de 80% de la cellule devrait interdire toute formation d'ester, or le métabolisme intermédiaire en regorge. Pour y arriver la cellule utilise des enzymes qui rendent la réaction unidirectionnelle pour produire l'ester ou l'hydrolyser. En plus elle doit en avoir le controle total, puisque, même si la réaction doit être lente suivant le type d'ester, il n'en reste pas moins que la réaction est réversible et l'eau est majoritaire. Ce controle total est nécessaire pour un réseau métabolique complexe, dynamique et évolutif qu'est le métabolisme intermédiaire. On peut toujours évoquer les processus d'adsorption par les surfaces et  la fixation des esters par les organites et la membrane, mais tout contact avec l'eau en dehors des enzymes devrait conduire à une perte de controle. On peut se faire une idée de la force de ce controle avec les aquaporines qui controlent l'entrée de l'eau dans la cellule! Et elles sont nombreuses et on les trouvent chez tous les êtres vivants y compris les procaryotes, sauf les virus qui ne contienent pas d'eau libre.

Le controle des estérifications par les enzymes est la raison d"être même du métabolisme intermédiaire. Il ne peut se faire qu'en vase clos, dans un système fermé. J'ai toujours refusé l'existence d'un réseau métabolique dans un système ouvert comme le préconise la théorie du RNA world par exemple. Pour moi la bicouche lipidique, de par son origine abiotique tout à fait probable  (voir pétrole prébiotique) est le seul point de départ de l'évolution moléculaire (voir chiralité prébiotique) parce qu'elle permet d'initialiser en même temps les peptides, les acides nucléiques, les coenzymes et un métabolisme intermédiaire confiné. L'ensemble constitue une chimie spécifique de l'intérieur séparée de l'extérieur et communicant avec lui par la membrane.

 Comment les enzymes imposent le sens d'une réaction d'estérification et empêche la réaction thermodynamique (sans enzyme) de se réaliser?

Trois directions de recherches:

1. Les molécules dans le cytoplasme sont organisées par le duo anion P / cation K (P de la membrane et des acides nucléiques), par les radicaux ionisés et polarisés des aa's des enzymes et des protéines constituant des volumes imposants. Cette organisation se traduirait par des couloirs où les molécules d'eau seraient retenues par des forces faibles (VdW), mais nombreuses, les empêchant de se lier aux esters.
2. Le réseau du métabolisme intermédiaire est connecté aux réactions qui se déroulent sur les surfaces et dans les volumes et qui piègent les esters empêchant la réaction thermodynamique d'hydrolyse. Ce processus serait même la finalité du vivant pour construire des entités fonctionnelles de plus en plus grandes. Mais ces estérifications sont aussi reliées dans le réseau à des réactions produisants des liaisons chimiques de plus en plus solides: liaison peptidique (amide), liaison ether,  liaison au carbone et liaison carbone-carbone. Ces réactions vont déplacer l'équlibre de la réaction d'estérification par fixation de l'ester ou des réactants. Bizarement les réactions à liaison la plus solide sont irréversibles ou  très peu réversibles, du point de vue thermodynamique ( sans enzymes), mais quand elles sont réalisées par des enzymes elles sont systématiquement réversibles. C'est une sorte de contrôle encore par les enzymes pour répondre rapidement aux solicitations de l'environnement physique, même à distance je suppose, grâce aux radicaux aromatiques des aa's ou des potentiels électro-chimiques créés sur la membrane (chimio-osmose prébiotique).
3. Une hypothèse encore très peu explorée est l'attirance des substrats et l'évacuation des produits par les enzymes. Le grand volume des enzymes ne se justifie pas par la catalyse, car le site actif est constitué en général de quelques aa's. En les reliant par d'autres aa's constituant le squelette on arriverait à qq dizaines d'aa's et on dépasserait rarement la cinquantaine. On est loin des centaines d'aa's de la plupart des enzymes. L'hydrophobicité et l'aromaticité (effet à distance) créeraient des couloirs spécifiques pour chaque molécule l'éloignant ou la rapprochant de l'enzyme. Une fois dans l'enzyme ou proche d'elle, la molécule peut-être transportée jusqu'à ce qu'elle soit hapée par les couloirs d'une autre enzyme.

21.05.2013

•  Pourquoi les aa's sont courts?

Une hypothèse: en formant une boucle alpha dans la membrane, les radicaux étant à l'extérieur de la boucle, ils s'accrochent à 1 seule molécule de PLD pour laisser les autres PLD circuler.

                                                                                                                           hydrophobicité
fon                              gly                                                      1 polarité absente     0+ 1= 0-

CH2-fon                       ala ser asp asn phe tyr trp his cys leu    4 apolaires               4+ 3= 3-

CH-fon                          ile val thr                                            2 apolaires               2+ 1= 0-

CH2-CH2-fon                  glu gln met                                       1 apolaire                 1+ 0= 2-

CH2-CH2-CH2-fon           arg pro                                            1 apolaire                0+ 1= 1-

CH2-CH2-CH2-CH2-fon     Lys                                                 0                             0+ 0= 1-

hydrophobicité   http://pages.usherbrooke.ca/bcm-514-bl/1c.html

formules           http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9

Position des radicaux dans l'hélice α , son diôple, les aa les + fréquents, sa relation avec la membrane: généralités dans wikipedia anglais (les aa les plus longs sont les plus fréquents sauf Ala, MALEK). Article de 1998 sur la propension des aa's à intégrer une chaine hélice alpha:"C. Nick Pace, J. Martin Scholtz A Helix Propensity Scale Based on Experimental Studies of Peptides and Proteins. Biophysical journal Volume 75, Issue 1, July 1998, Pages 422–427". Voir aussi le site précédant de l'hydrophobicité pour la fréquence des aa dans les hélices alpha.

•  Pourquoi certaines fonctions sont en double différant par un CH2 seulement?

     Asp      CH2-COOH                                  Asn      CH2-CONH2                                 Val     CH(CH3)2

     Glu      CH2-CH2-COOH                            Gln      CH2-CH2-CONH2                           Leu    CH2-CH(CH3)2

•  Hierarchie des forces intermoléculaires: aliphatique  <  aromatique  <  fonction chimique.

     P: pour aliphatique        PF: pour aliphatique et une fonction chimique      A: Aromatique Hydrophobe       AF: aromatique + fonction chimique

     F: Fonction chimique seule avec 1 seul CH2 .           Pyl  et Sec : aa's rares à codon génétique      

                                                               Tableau 1.          Rangement des aa's par leur radical aliphatique/aromatique/fonction chimique

   On distingue bien entre aliphatique (P + PF) et aromatique (A + AF). L'aliphatie est bien séparée de l'aromaticité, il n'y a pas de A avec plus d'un CH2. Les fonctions chimiques peuvent se retouver seules ou avec P ou A. Mais les combinaisons sont limitées et la simplicité l'emporte. Ces combinaisons ont pour conséquence une hydrophobicité intermédiaire: 7 hydrophobes, 6 intermédiaires et 7 polaires ou ionisés.

•   L'hydrophobicité des aa's.

1. Donc l'hydrophobicité n'est pas strictement propre aux aa's sans fonction chimique (Thr, Tyr, Ser, Met, Cys) et vice versa (Pro, Gly).
2. Il faut ajouer à cela que lorsque l'aa est contraint dans la zone aliphatique de la membrane, il se comporte différemment que dans l'eau: l'hydrophobicité n'est pas une force. Un article dans Pour La Science 2013 montre que les molécules d'eau s'organisent près des chaines aliphatiques. En plus l'environnement dans la zone aliphatique permettrait qu'une fonction carboxylique ne s'ionise pas (voir lecture hélices α ). Cependant une séquence d'un grand nombre d'aa's polaires déstabilise une hélice α car ils ont tendance à se mettre ensemble.
3. 13 aa's sont plus ou moins hydrophobes, ce qui laisse penser qu'ils soient les premiers à intervenir dans l'évolution moléculaire en interaction avec la membrane.

•   L'aromaticité des aa's.

1. Elle se caractérise par plusieurs électrons délocalisés, formant un champs magnétique perpendiculaire au dipôle du zwitérion de l'aa. D'où des actions à distances (radio) qui peuvent être d'une très grande importance sur l'environnement d'une enzyme pour attirer ses substrats et non d'autres molécules.
2. Nous savons aussi que comme le cholestérol les cycles aromatiques apportent de la fluidité dans la membrane. Les cycles aromatiques des acides aminés protéiniques sont plans et s'attirent les uns les autres par leurs champs magnétiques et stabilisent ainsi les hélices α dans la membrane ( et s'ajoute à leur hydrophobicité) ou dans l'eau.
3. Elle est indépendante de la propriété aliphatique: aucun aa aromatique ne porte de chaine aliphatique même réduite à un méthyl.

•   Les fonctions chimiques des radicaux des aa's.

1. Elles sont en très petit nombre. Sur 13 aa's à fonction chimique seules 5 se distinguent des fonctions carbonyle C=O, alcool OH et  amine NH2 de la tête, et même 4 si l'on compte Arg qui porte 3 azotes dont un NH2.
2. Les 5 aa's qui portent des fonctions différentes de la tête, comme dit ci-dessus, en sont encore  très proche: Arg, His et Trp totalisent 6 N sans aucun autre hétéroatome, 5 sont hydrogénés (comme dans la tête) et 2 ont une double liaison avec le carbone (Arg et His); Cys est un thiol l'équivalent de la Ser; Met est le seul qui porte un radical méthyl, tout à fait inattendu, mais encore il se rapproche plus de la fonction ether-thiol comme la Cys se rapproche de la Ser par sa fonction alcool. Les aa's aminés rares Pyl et Sec suivent le même schéma. Le schéma est poussé à l'extrême avec Pyl qui ressemble à un dipeptide Lys-Pro uni en tête à queue et Pro portant un radical méthyl. Sec lui se distingue par la limite de l'utilisation de la colonne VI, puisque Se beaucoup plus instable et plus réactif que S provoquerait le désordre, d'où sa toxicité à forte dose.
3. Argumentation par l'absence de fonctions chimiques. Sans chercher des fonctions complexes ou des chaines aliphatiques longues, on peut se poser la question de l'absence de certaines  combinaisons:

• des fonctions déjà utilisées, NH2 SH COOH CONH2 SCH3, à la place du OH  : comme pour Tyr, Thr et Met;
• des fonctions nouvelles utilisant les atomes déjà utilisés, CHONS, et qu'on trouve dans le métabolisme intermédiaire: NO2, CΞN, SO3(taurine), C=C (pyrroles), aldéhyde et cétones (sucres), éther  .....
• des fonctions utilisant d'autres atomes que ceux de la tête: Halogènes ( I, la tyroxine par exemple),  métaux de transition ....

On trouvera toujours une raison pour les exclure des enzymes, des protéines ou de la machinerie ribosomique: réactivité très forte pouvant créer des liaisons solides pouvant rompre la linéarité de la chaine polypeptidique (NO2, C Ξ N, C=C, halogènes, sucres: il faudra expliquer alors pourquoi seul Cys peut le faire); encombrement stérique empêchant la catalyse (Phe-COOH) ou tout simplement ne servant à rien et nécessitant de l'énergie pour sa synthèse ( Phe-NH2 où N n'est plus réactif car ses électrons sont en résonnance avec Phe).

•  Longueur des chaines aliphatiques, fonctions chimiques et chiralité: hélices α. Tout à fait au début de cette énigme j'avais supposé que la longueur courte des aa's était due au fait qu'en formant une hélice alpha ( la structure secondaire la plus fréquente des protéines et surtout celles qui sont membranaires) et  pour que celle-ci puisse bouger facilement il fallait que les radicaux, disposés perpendiculairement à l'axe de l'hélice et à l'extérieur, soient hydrophobes et n'attacher qu'une seule molécule de PLD. En ce qui concerne les fréquences des aa dans les hélices alpha présentées dans l'article de wikipédia ou sur le site de l'hydrophobicité, elles ne sont valables que pour les protéines globulaires ( ou plutôt non membranaires). On s'en doute par la fréquence élevée en E K R qui sont plutôt très hydrophiles.

27.7.13 Paris

•  Mettre dans une "idée" l'hélicité des hélices α, qui est droite.
• Elle est droite parce que les aas sont L.
• Elle permet de jouer le rôle d'une vis. Pour cela il faut une prise à la surface de la membrane pour que la vis pénètre en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui est le cas pour l'hélicité droite.
• L'idée intéressante c'est que cette prise ne peut être qu'un aa. Et la Sérine est tout indiquée car elle fait partie de la membrane (PLD PS). En plus elle est dans le cytoplasme. Donc une hélice fabriquée à l'intérieur peut sortir à l'extérieur de la membrane pour échaffauder la protection (membrane externe) ou permettre les échanges avec l'extérieur (pores, canaux, ....). On rejoint donc le principe que le vivant est dû à une chimie spécifique qui se déroule dans le cytoplasme et organise le milieu extérieur à travers la membrane.
• L'éthanol-amine (PLD PE) et la choline (PLD PC) n'ont pas la configuration du zwiterrion pour "attraper" l'aa de la tête (C terminal) ou de la queue de l'hélice (N terminal).
• L'attaque par les virus de l'extérieur ou l'apoptose (qui est dûe à l'externalisation de la Sérine du PLD PS) peuvent s'expliquer ainsi.
• Ce comportement des hélices α, si l'idée s'avère fructueuse (vraie) renforcerait l'hypothèse de l'origine de la chiralité des aas par la cohésion mécanique: hélicité et chiralité des aas vont dans le même sens.
• La longueur des aas déterminée en partie par l'interaction orthogonale entre résidu d'un aa et les queues aliphatiques des PLDs. Du tableau des fréquences des aas dans les hélices α membranaires se dégagent 'X' points importants:
• La propension (ref.) des aas dans les hélices α, de l'article wiki et de l'article de simulation (1998 ci-dessus), ne s'applique pas ici. Ces études ont été faites sur des protéines libres cytoplasmiques (globulaires). Notamment pour EKQR. Certainement ces aas stabilisent la protéine dans l'eau, comme les ailes et l'aviron pour les avions. Mais en plus ces 4 aas sont très hydrophiles. En étant longs ils écartent le coeur (ou les sites actifs) hydrophobe le plus loin possible des molécules d'eau. Le volume de la protéine (pour toutes les fonctions dont j'ai parlé jusqu'ici: attirance ou rejet des substrats/produits, canalisation des molécules d'eau, interdiction pour les autres molécules), le nombre de EKQR doit être très grand. Ce sont les petits aas (HSDNCTY) qui vont se trouver dans les sites catalytiques. Là nous avons une explication de l'énigme DN et EQ, mais pas de LV.
• La réduction de moitié, en pourcentage, des aas hydrophobes:
• Elle est exactement de 0.5 pour I et L, 0.6 pour A F M mais seulement de 0.7 pour V.
• La réduction de F et M montre qu'on doit les considérer comme hydrophobes à part entière. Cependant c'est leur volume qui les rends moins fréquents que les aliphatiques.
• L'énigme de L et V :  avec leur parapluie ils s'ancrent littéralement aux PLDs. Un ancre à l'extérieur (L) et un à l'intérieur (V) empêchent le PLD de ne se déplacer ni à l'extérieur ni à l'intérieur.
• Restent A et I.

18.5.2013

   Notes: Un des 3 aspects qu'il faut développer à tout prix ( voir   ségrégation K/Na   PLD-ag saturé-ag monoinsaturé  ).         

    Le passage du phosphate de l'extérieur à l'intérieur: j'avais proposé le flip-flop dans chimio-osmose prébiotique. Ce processus peut être accéléré par le comportement du milieu environnant: ions divalents ( ca++ ) qui vont regrouper certaines têtes et donc créer des trous; les têtes elles-mêmes ne sont pas toutes les mêmes: fonctions alcools, amines, acides ( aas  ) et autres. ( Brinder dans sa thèse ).
    Mais il faut ajouter une idée que j'avais développée la chimio-osmose prébiotique, c.a.d la liaison des phosphates à des amines aliphatiques ( dans la thèse qui se trouve dans le dossier "physique liposome", il utilise un ester solide, le nitrobenzène phosphate ). Ces esters peuvent traverser la membrane donc.

19.5.2013

L'ion phosphate comme toute molécule chargée ne peut pas traverser la membrane. Cependant il faut noter que cet anion est bien spécifique. Il lui est d'autant plus difficile de diffuser à travers la membrane que celle-ci est bardée du même anion (donc répulsion) mono ionisé. Mais de ce fait, même, il est indistinguable de ceux de la membrane et serait favorisé par le processus de flip-flop. On imagine bien que, à l'intérieur, si un phosphate se détache de la membrane, il pourrait provoquer ce processus. Une autre hypothèse c'est que le phosphate soit estérifié par des alcools à queue aliphatique ou des alcool-amines comme l'éthanolamine, lui permettant de traverser la membrane. Ces hypothèses ont été envisagées dans chiomo-osmose prébiotique.

18.5.2013

   Notes: Un des 3 aspects qu'il faut développer à tout prix ( voir   Diffusion du phosphate   PLD-ag saturé-ag monoinsaturé  ).

  Ségrégation Na+ à l'extérieur du liposome et K+ à l'intérieur.  Dans le livre des liaisons inter-moléculaires K est plus polarisable que Na. Mais en plus le passage à travers la membrane n'est pas empêché par la force hydrophobe ( ! ), mais par le fait que les ions doivent passer avec leur cortège de H2O. Na+ étant plus petit il retient plus fort les molécules de H2O et en retient de nombreuses. Donc l'ensemble est très grand. L'ion K+ retient moins de H2O car il est 50% plus grand que Na+. Par ailleurs à l'intérieur du liposome K+ est donc plus polarisable que Na+ par le phosphate.  Le phosphore est plus proche de K du point de vue de cortège électronique ( voir chiralité, quantique et gravitation ), et est entouré, dans le phosphate, de 4 atomes d'oxygène portant des doublets libres qui polarisent encore plus.
     Dans le liposome la paroi de phosphate et les K+ hydratés constituent une 1ère couche d'organisation.

19.5.2013

Pourquoi le Na est à l'extérieur et le K à l'intérieur de la cellule? Il est difficile d'imaginer un processus physique au niveau du liposome pour cette ségrégation tant le rôle de mono-charge de l'ion est fondamentale. Cependant K est plus polarisable que Na et donc peut répondre plus rapidement aux phosphates de la membrane; Na+ a un rayon ionique 30% plus petit que K+ et donc retient la couche d'hydratation plus fortement et donc aurait plus de difficulté à traverser la membrane (mais c'est valable dans les 2 sens).  L'hypothèse de la poche de pétrole prébiotique, en supposant qu'elle soit surplombée par des zéolythes, laisserait penser qu'une solution spécifique (contenant du K et non du Na) serait produite par ces catalyseurs hors pair, et tomberait dans l'huile pour former la vésicule reverse qui migrera vers l'eau pour se transformer en liposome.

23.12.13

Potassium Ions are More Effective than Sodium Ions in Salt Induced Peptide Formation: Michael V. Dubina et al., Orig Life Evol Biosph (2013) 43:109–117.

27.12.13

"L'orientation des molécules d'eau hydratant l'ion potassium est en quelque sorte dictée par l'organisation électronique de l'ion."