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

 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:

• Évolution de la membrane prébiotique, étude des milieux condensés paragraphe 5.                    24.7.14
  

• Chimio-osmose prébiotique, Les conséquences conceptuelles de l'hypothèse de la chimio-osmose prébiotique, paragraphe 6.      20.4.11

• Chiralité prébiotique, 5.1 Les processus prébiotiques pour la mise en place de l'homochiralité (en introduction avant le paragraphe 5.1.1).    5.1.12
  

• La liaison ester dernier paragraphe du 3.6.2013 ( 3ème direction de recherche )          3.6.13
  

• Les démons de Maxwell, dernier paragraphe.    29.9.12
  

• Le paradoxe de la poule de Newton et de l'oeuf de Maxwell         27.12.13
  

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.

 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.