2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologie

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Objectifs d'apprentissage associés à 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25

• Décrire comment le génotype et le phénotype sont liés. Prédire un phénotype si on lui donne un génotype et les mécanismes moléculaires associés, et vice versa.
• Décrire comment les informations environnementales peuvent façonner la production transcriptionnelle et traductionnelle de manière à conduire à différents phénotypes et à une spécialisation cellulaire.
• Définir et expliquer les différents termes de vocabulaire utilisés pour décrire les mutations (point, délétion, insertion, non-sens, frameshift, null, perte de fonction et gain de fonction) et être capable de prédire leur impact sur la fonction des protéines.
• Utilisez un tableau de codons et votre connaissance de la structure et de la fonction des protéines pour faire des prédictions sur la façon dont des changements spécifiques au niveau de l'ADN pourraient influencer la structure et la fonction des protéines.
• Expliquez les différents mécanismes possibles par lesquels les mutations peuvent provoquer des changements dans le phénotype. Incluez des mutations dans les régions codantes pour les protéines et les régions non codantes pour les protéines dans votre discussion.
• Expliquer l'influence potentielle des mutations sur la spécificité et l'affinité des interactions protéine-ADN et l'impact potentiel de ces mutations sur l'expression des gènes.

Mutation

Les erreurs survenant lors de la réplication de l'ADN ne sont pas le seul moyen par lequel des mutations peuvent survenir dans l'ADN. Mutations induites sont ceux qui résultent d'une exposition à des produits chimiques, aux rayons UV, aux rayons X ou à un autre agent environnemental. Mutations spontanées se produire sans exposition à aucun agent environnemental ; ils résultent de réactions biochimiques spontanées se déroulant au sein de la cellule.

Les mutations peuvent avoir un large éventail d'effets.

Quelques mutationsne créer aucun impact observable ; nous les appelons

mutations silencieuses. Mutations ponctuelles sont ces mutations qui affectent une seule paire de bases. Les mutations nucléotidiques les plus courantes sont les substitutions,

dans lequel une base est remplacée par une autre

. Celles-ci peuvent être de deux types, soit des transitions, soit des transversions. Remplacement de transition désigne une purine ou une pyrimidine étant remplacée par une base de même nature ; par exemple,

une purine telle que l'adénine peut être remplacée par la purine guanine

. Remplacement de la transversion désigne une purine remplacée par une pyrimidine, ou vice versa ; par exemple, une cytosine, une pyrimidine,

est remplacé

par l'adénine, une purine. Les mutations peuvent également

être le résultat de

l'ajout d'un nucléotide, appelé insertion, ou l'élimination d'une base, également appelée délétion. Parfois, un morceau d'ADN d'un chromosome peut être transloqué vers un autre chromosome ou vers une autre région du même chromosome ;

c'est connu

comme translocation.

Comme nous le verrons plus tard, lorsqu'une mutation se produit dans une région codant pour une protéine, elle peut avoir plusieurs effets. Les mutants de transition ou de transversion peuvent n'entraîner aucun changement dans la séquence protéique (appelée mutations silencieuses), modifiez la séquence d'acides aminés (appelée mutations faux-sens), ou créez

ce qu'on appelle

un codon stop (appelé mutation non-sens). Les insertions et délétions dans les séquences codant pour les protéines conduisent à mutations de décalage de cadre. Des mutations faux-sens qui conduisent à changements conservateurs entraîne la substitution d'acides aminés similaires mais non identiques. Par exemple, le glutamate d'acide aminé acide étant substitué à l'aspartate d'acide aminé acide

être considéré

conservateur. Nous ne nous attendons pas à ce que ces types de mutations faux-sens soient aussi graves qu'un non conservateur changement d'acide aminé; tel qu'un glutamate substitué à une valine. En nous basant sur notre compréhension de la chimie des groupes fonctionnels, nous pouvons correctement déduire que cette

Type de

La substitution peut entraîner de graves conséquences fonctionnelles, selon la localisation de la mutation.

Remarque : Veille de vocabulaire

Notez que le paragraphe précédent contenait beaucoup de vocabulaire potentiellement nouveau - ce serait une bonne idée d'apprendre ces termes.

Figure 1. Les mutations peuvent entraîner des changements dans la séquence protéique codée par l'ADN.

Mutations : quelques nomenclatures et considérations

Mutation

Étymologiquement, le terme mutation signifie un changement ou une altération. En génétique, une mutation est un changement dans le matériel génétique - la séquence d'ADN - d'un organisme. Par extension, un mutant est l'organisme dans lequel une mutation s'est produite. Mais à quoi le changement est-il comparé ? La réponse à cette question est que cela dépend. On peut faire la comparaison avec le géniteur direct (cellule ou organisme) ouàmodèles observés dans une population de l'organisme en question. Cela dépend principalement du contexte spécifique de la discussion. Étant donné que les études génétiques examinent souvent une population (ou des sous-populations clés) d'individus, nous commençons par décrire le terme « type sauvage ».

Type sauvage vs mutant

Qu'entendons-nous par « type sauvage » ? Étant donné que la définition peut dépendre du contexte, ce concept n'est pas tout à fait simple. Voici quelques exemples de définitions que vous pouvez rencontrer :

Significations possiblesde "type sauvage"

1. Organisme ayant une apparence caractéristique de l'espèce dans une population reproductrice naturelle (c'est-à-dire des taches de guépard et des stries sombres ressemblant à des larmes qui s'étendent des yeux à la bouche).
2. La ou les formes d'un gène se produisant le plus souvent dans la nature dans unétant donnéespèce.
3. Un phénotype, un génotype ou un gène qui prédomine dans une population naturelle d'organismes ou une souche d'organismes contrairement à celle des formes mutantes naturelles ou de laboratoire.
4. Le normal, par opposition au gène ou à l'allèle mutant.

Le fil conducteur de toutes les définitions énumérées ci-dessus est basé

sur la "norme" pour un ensemble de caractéristiques

en ce qui concerne

un trait spécifique par rapport à l'ensemble de la population. Dans "l'ère du séquençage pré-ADN"

les espèces ont été classées

basé sur des phénotypes communs (à quoi ils ressemblaient, où ils vivaient, comment ils se comportaient, etc.). Une "norme"

a été établi

pour l'espèce en question. Par exemple, les corbeaux présentent un ensemble commun de caractéristiques, ce sont de grands oiseaux noirs qui vivent dans des régions spécifiques, mangent certains types de nourriture et se comportent d'une certaine manière caractéristique. Si nous en voyons un, nous savons

son

un corbeau en fonction de ces caractéristiques. Si nous en voyions un avec une tête blanche, nous penserions

cette

soit c'est un oiseau différent (pas un corbeau) soit un mutant, un corbeau qui a une certaine altération par rapport à la norme ou au type sauvage.

Dans cette classe, nous prenons ce qui est commun à propos de ces différentes définitions et adoptons l'idée que le "type sauvage" est

simplement

une norme de référence par rapport à laquelle nous pouvons comparer les membres d'une population.

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Discussion possible au N.-B. Point

Si vous attribuiez des traits de type sauvage pour décrire un chien, quels seraient-ils ? Quelle est la différence entre un trait mutant et la variation d'un trait dans une population de chiens ? Existe-t-il un type sauvage pour un chien que nous pourrions utiliser comme standard ? Comment pourrions-nouscommencer àpensez à ce concepten ce qui concernechiens?

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Figure 2. Les mutations peuvent entraîner des changements dans la séquence protéique codée par l'ADN qui ont ensuite un impact sur l'apparence extérieure de l'organisme.
(La source)

Les mutations sontsimplementchangements par rapport au "type sauvage", référence ou séquence parentale pour un organisme. Alors que le terme « mutation » a des connotations familières négatives, nousdoitrappelez-vous que le changement n'est ni intrinsèquement "mauvais". Les mutations (changements de séquences) ne doivent pas principalementêtre pensécomme « mauvais » ou « bon », maisplutôtsimplementcomme des changements et une source de diversité génétique et phénotypique sur laquelle l'évolution par sélection naturelle peut se produire. La sélection naturelle détermine finalement le long termesortde mutations. Si la mutation confère un avantage sélectif à l'organisme, la mutationêtre sélectionnéet peut éventuellement devenir très fréquent dans la population. A l'inverse, si la mutation est délétère, la sélection naturelle fera en sorte quela mutation sera perduede la population. Si la mutation est neutre, c'est-à-dire qu'elle n'offre ni avantage ni inconvénient sélectif, alors elle peut persister dans la population. Différentformes deun gène, y compris ceux associés au "type sauvage" et aux mutants respectifs, dans une populationsont appelésallèles.

Conséquences des mutations

Pour un individu, la conséquence des mutations peut signifier peu ou elle peut signifier la vie ou la mort. Certaines mutations délétères sont nul ou Assommermutationqui entraînent une perte de fonction du produit du gène. Ces mutations peuvent résulter d'une délétion del'un ou l'autrele gène entier, une partie du gène, ou par une mutation ponctuelle dans une région critique du gène qui rend le produit génique non fonctionnel. Ces types de mutations sont également appelés perte de fonction mutations. Alternativement, les mutations peuvent conduire à une modification d'une fonction existante (c'est-à-dire que la mutation peut changer l'efficacité catalytique d'une enzyme, un changement de spécificité de substrat ou un changement de structure). Dans de rares cas, une mutation peut créer une fonction nouvelle ou améliorée pour un produit génique ;c'est souvent mentionnéen tant que gain de fonction mutation.dernièrement, des mutations peuvent survenir dans des régions non codantes de l'ADN. Ces mutations peuvent avoir une variété de résultats, notamment une régulation altérée de l'expression des gènes, des changements dans les taux de réplication ou des propriétés structurelles de l'ADN et d'autres facteurs non associés aux protéines.

Mutations et cancer

Les mutations peuvent affecter soit les cellules somatiques, soit les cellules germinales. Parfois, des mutations se produisent dans les gènes de réparation de l'ADN, compromettant ainsi la capacité de la cellule à réparer d'autres mutations qui peuvent survenir. Si,par conséquentde mutations dans les gènes de réparation de l'ADN, de nombreuses mutations s'accumulent dans une cellule somatique, elles peuvent entraîner des problèmes tels que la division cellulaire incontrôlée observée dans le cancer. Les cancers, y compris les formes de cancer du pancréas, le cancer du côlon et le cancer colorectal ontété associéavec des mutations comme celles-ci dans les gènes de réparation de l'ADN. Si, par contre,une mutation dans la réparation de l'ADN se produit dans les cellules germinales (cellules sexuelles), la mutation seraêtre passéà la génération suivante, commedans le cas ddes maladies comme l'hémophilie et la xeroderma pigmentosa.Dansle cas de la xérodermiepigmentairesles personnes dont les processus de réparation de l'ADN sont compromis deviennent très sensibles aux rayons UV. Dans les cas graves, ces personnes peuvent avoir de graves brûlures du soleil avec quelques minutes d'exposition au soleil. Près de la moitié de tous les enfants atteints de cette maladie développent leur premier cancer de la peau avant l'âge de 10 ans.

Conséquences des erreurs de réplication, transcription et traduction

Quelque chose de clé à penser:

Les cellules ont évolué de diverses manières pour s'assurer que les erreurs d'ADN sont à la fois détectées et corrigées,ROMrelecture par les différentes ADN polymérases dépendantes de l'ADN, jusqu'à des systèmes de réparation plus complexes. Pourquoi tant de mécanismes ont-ils évolué pour réparer les erreurs dans l'ADN ?En revanche, similaireles mécanismes de relecture n'ont PAS évolué pour les erreurs de transcription ou de traduction. Pourquoi cela pourrait-il être? Quelles seraient les conséquences d'une erreur de transcription? Une telle erreur affecterait-elle la progéniture ? Serait-ce mortel pour la cellule ? Qu'en est-il de Traduction? Posez les mêmes questions sur le processus de traduction. Que ce passerait-il sile mauvais acide aminé a été mis accidentellementdans le polypeptide en croissance pendant la traduction d'une protéine ? Comparez cela avec la réplication de l'ADN.

Les mutations comme instruments de changement

Les mutations sont la façon dont les populations peuvent s'adapter aux pressions environnementales changeantes

Mutationsont créés au hasarddans le génome de chaque organisme, et ceà son tourcrée une diversité génétique et une pléthore d'allèles différents par gène et par organisme dans chaque population de la planète. S'il n'y a pas eu de mutations et que les chromosomesont été répliquéset transmis avec 100% de fidélité, comment les cellules et les organismes s'adapteraient-ils ? La question de savoir si l'évolution maintient les mutations dans une population dépend du fait que la mutation offre un avantage sélectif, pose un certain coût sélectif ouestà tout le moins, pas nocif.En effet, les mutationsqui semblent neutres peuvent persister dans la population pendant de nombreuses générations et n'avoir de sens que lorsqu'une populationest contestéavec un nouveau défi environnemental.À ce point,lesdes mutations apparemment auparavant neutres peuvent fournir un avantage sélectif.

Exemple : Résistance aux antibiotiques

La bactérie E. coli est sensible à un antibiotique appelé streptomycine, qui inhibe la synthèse des protéines en se liant au ribosome.La protéine ribosomiqueL12peut être mutéde telle sorte que la streptomycine ne se lie plus au ribosome et inhibe la synthèse des protéines. Les mutants de type sauvage et L12 se développent de manière égalebienet la mutation semble être neutre dans leabsence d'antibiotique. Dans leprésence de l'antibiotiquetype sauvageles cellules meurent et les mutants L12 survivent. Cet exemple montre à quel point la diversité génétique est importante pour la survie de la population. Si les mutations ne se sont pas produites au hasard, lorsque la populationest contestépar un événement environnemental, comme l'exposition à la streptomycine, toute la population mourrait. Pour la plupart des populations, cela devient un jeu de nombres. Si le taux de mutation est de 10^-6 alors une population de 10⁷ les cellules auraient 10 mutants ; une population de 10⁸ aurait 100 mutants, etc.

Des erreurs non corrigées dans la réplication de l'ADN entraînent une mutation. Dans cet exemple,une erreur non corrigée a été transmisesur une cellule fille bactérienne. Cette erreur est dans un gène qui code pour une partie du ribosome. La mutation entraîne une structure 3D finale différente de la protéine du ribosome. Tandis que letype sauvagele ribosome peut se lier à la streptomycine (un antibiotique qui tue la cellule bactérienne en inhibant la fonction du ribosome) le ribosome mutant ne peut pas se lier à la streptomycine.Cettebactériesestmaintenant résistant à la streptomycine.
Source : image originale de l'équipe Bis2A

Un exemple : Lactate déshydrogénase

La lactate déshydrogénase (LDH), l'enzyme qui catalyse la réduction du pyruvate en acide lactique lors de la fermentation, alors que pratiquement tous les organismes ont cette activité, l'enzyme correspondante et donc le gène diffèrent énormément entre les humains et les bactéries.Les protéines sont clairementen relation,ils remplissent la même fonction de base mais présentent diverses différences, allant des affinités de liaison au substrat et des vitesses de réaction aux exigences optimales en sel et en pH. Chacun de ces attributs aété réglé de manière évolutivepour chaque organisme spécifique à travers de multiples cycles de mutation et de sélection.

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Discussion possible au N.-B. Point

Nous pouvons utiliser l'analyse comparative des séquences d'ADN pour générer des hypothèses sur les relations évolutives entre trois organismes ou plus. Une façon d'y parvenir est de comparer les séquences d'ADN ou de protéines des protéines trouvées dans chacun des organismes que nous souhaitons comparer. Imaginons par exemple que nous devions comparer les séquences de lactate déshydrogénase (LDH) de trois organismes différents. Le schéma ci-dessous représente les structures primaires des protéines LDH des organismes A, B et C. Les lettres au centre du diagramme linéaire des protéines représentent les acides aminés à une position unique et les différences proposées dans chaque séquence (Attribution :Marc T. Facciotti [œuvre originale]). Question: L'organisme C est-il plus étroitement lié à l'organisme A ou B ? L'explication la plus simple est que l'organisme A est la forme la plus ancienne, une mutation s'est produite donnant naissance à l'organisme B. Au fil du temps, une deuxième mutation est apparue dans la lignée B pour donner naissance à l'enzyme trouvée dans l'organisme C. C'est l'explication la plus simple, mais nous ne peut exclure d'autres possibilités. Pouvez-vous penser à d'autres façons dont les différentsformes del'enzyme LDH est née de ces trois organismes ?

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Application réelle :

Comme nous l'avons vu dans le module "Mutations et mutants", changer ne serait-ce qu'un nucléotide peut avoir des effets majeurs sur le produit traduit. En savoir plus sur les travaux d'un étudiant sur les mutations ponctuelles et les OGM ici.

GLOSSAIRE

mutation induite :

mutationrésultant d'une exposition à des produits chimiques ou à des agents environnementaux

mutation:

variation de la séquence nucléotidique d'un génome

réparation d'incompatibilité :

type de mécanisme de réparation dans lequelles bases incompatibles sont suppriméesaprès réplication

réparation par excision de nucléotides :

type de mécanisme de réparation de l'ADN dans lequel la mauvaise base, ainsi que quelques nucléotides en amont ou en aval,sont enlevés

relecture :

fonction de l'ADNpoldans lequel il lit la base nouvellement ajoutée avant d'ajouter la suivante

point de mutation:

mutationqui affecte une seule base

mutation silencieuse :

mutationcetten'est pas exprimé

mutation spontanée :

mutationqui se déroule dans les cellulespar conséquentdes réactions chimiques se produisant naturellement sans exposition à aucun agent externe

substitution de transition :

quand une purineest remplacéavec une purine ou une pyrimidineest remplacéavec une autre pyrimidine

substitution de la transversion :

quand une purineest remplacépar une pyrimidine ou une pyrimidineest remplacépar une purine

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologie

Introduction Une série de lois, appelées lois de la thermodynamique, décrivent comment l'énergie est transférée et dispersée dans une réaction. Nous en considérons deux. La première loi stipule que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante. Cela signifie que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite dans une réaction ou un processus, seulement transférée. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie de l'univers est toujours croissante. Nous décrivons la pertinence générale de ces deux lois et leur application en biologie.

Lois de la thermodynamique

La thermodynamique s'intéresse à la description des changements dans les systèmes avant et après un changement. Cela implique généralement une discussion sur les transferts d'énergie et sa dispersion au sein du système. Dans presque tous les cas pratiques, ces analyses nécessitent que le système et son environnement soient complètement décrits. Par exemple, lorsqu'on discute du chauffage d'une casserole d'eau sur le poêle, le système peut inclure le poêle, la casserole et l'eau et l'environnement ou les environs peuvent inclure tout le reste. Les organismes biologiques sont ce qu'on appelle des systèmes ouverts, l'énergie est transférée entre eux et leur environnement.

1ère loi de la thermodynamique La première loi de la thermodynamique traite de la quantité totale d'énergie dans l'univers. Il indique que cette quantité totale d'énergie est constante. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre (module 4.0), mais elle ne peut être ni créée ni détruite. Les transferts d'énergie ont lieu autour de nous tout le temps. Les ampoules transfèrent l'énergie d'une centrale électrique en chaleur et en photons pour produire de la lumière. Les poêles à gaz transfèrent l'énergie stockée dans les liaisons de composés chimiques en chaleur et en lumière. Soit dit en passant, la chaleur est la quantité d'énergie transférée d'un système à un autre en raison d'une différence de température. Les plantes effectuent l'un des transferts d'énergie les plus biologiquement utiles sur Terre : elles transfèrent l'énergie des photons de la lumière solaire dans les liaisons chimiques des molécules organiques. Dans chacun de ces cas, l'énergie n'est ni produite ni détruite et nous devons essayer de rendre compte de toute l'énergie lorsque nous examinons certaines de ces réactions.

1ère loi et histoire de l'énergie La première loi de la thermodynamique est d'une simplicité trompeuse. Les élèves comprennent souvent que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Pourtant, lorsqu'ils décrivent l'histoire énergétique d'un processus, ils commettent souvent l'erreur de dire des choses telles que "l'énergie est produite à partir du transfert d'électrons de l'atome A à l'atome B". Alors que la plupart d'entre nous comprendront le point que l'étudiant essaie de faire valoir, les mauvais mots sont utilisés. L'énergie n'est pas fabriquée ou produite, elle est simplement transférée. Pour être cohérent avec la première loi, lorsque vous racontez une histoire énergétique, assurez-vous d'essayer de suivre explicitement tous les endroits où TOUT l'énergie du système au début d'un processus passe à la fin d'un processus.

2e loi de la thermodynamique Un concept important dans les systèmes physiques est celui de l'entropie. L'entropie est liée à la manière dont l'énergie peut être distribuée ou dispersée dans les particules d'un système. La 2e loi de la thermodynamique stipule que l'entropie augmente toujours dans un système ET son environnement (tout ce qui se trouve à l'extérieur du système). Cette idée permet d'expliquer la directionnalité des phénomènes naturels. En général, la notion est que la directionnalité vient de la tendance de l'énergie dans un système à se déplacer vers un état de dispersion maximale. La 2e loi signifie donc que dans toute transformation, nous devons rechercher une augmentation globale de l'entropie (ou de la dispersion de l'énergie), quelque part. Une idée associée à une dispersion accrue de l'énergie dans un système ou son environnement est qu'à mesure que la dispersion augmente, la capacité de l'énergie à être dirigée vers le travail diminue.

Il y aura de nombreux exemples où l'entropie d'un système diminue. Pour être cohérent avec la deuxième loi, cependant, nous devons essayer de trouver autre chose (probablement un système étroitement connecté dans l'environnement) qui doit compenser la diminution "locale" de l'entropie avec une augmentation égale ou supérieure de l'entropie.

L'entropie d'un système peut augmenter lorsque : (a) il gagne de l'énergie (b) un changement d'état se produit de solide à liquide puis gazeux (c) un mélange de substances se produit (d) le nombre de particules augmente au cours d'une réaction.

Une augmentation du désordre peut se produire de différentes manières. Un glaçon fondant sur un trottoir chaud en est un exemple. Ici, la glace est présentée comme un flocon de neige, avec des molécules d'eau organisées et structurées formant le flocon de neige. Au fil du temps, le flocon de neige fondra en un bassin de molécules d'eau désorganisées et en mouvement libre.
Source : https://www.boundless.com/physics/textbooks/boundless-physics-textbook/thermodynamics-14/entropy-119/order-to-disorder-417-6459/

Si nous considérons les première et deuxième lois ensemble (la conservation de l'énergie et le besoin d'augmenter l'entropie si un processus se produit), nous arrivons à une conclusion utile. Dans tout processus où l'énergie est transférée ou redistribuée au sein d'un système, l'entropie doit augmenter. Cette augmentation de l'entropie est liée à l'« utilité » de l'énergie pour travailler (devenant généralement moins disponible à mesure que l'entropie augmente). Ainsi, nous pouvons conclure que dans toute transformation, nous considérons que même si toute l'énergie doit être conservée, l'augmentation du changement d'entropie requise signifie qu'une partie de l'énergie sera distribuée d'une manière qui la rendra moins utile pour le travail. Dans de nombreux cas, en particulier en biologie, une partie de l'augmentation de l'entropie peut être attribuée à un transfert d'énergie en chaleur dans l'environnement.

Énergie gratuite

Si nous voulons décrire les transformations, il est donc utile d'avoir une mesure de (a) la quantité d'énergie dans un système et (b) la dispersion de cette énergie dans le système et bien sûr comment celles-ci changent entre le début et la fin. d'un processus. Le concept d'énergie libre, souvent appelé énergie libre de Gibbs ou enthalpie libre (abrégée par la lettre G), fait exactement cela dans un certain sens. L'énergie libre de Gibbs peut être définie de plusieurs manières interconvertibles, mais une utile dans le contexte de la biologie est l'enthalpie (énergie interne) d'un système moins l'entropie du système mise à l'échelle par la température. La différence d'énergie libre lorsqu'un processus a lieu est souvent rapportée en termes de changement (delta) d'enthalpie (énergie interne) noté H, moins le changement d'échelle de température (delta) d'entropie, noté S. Voir l'équation ci-dessous.

L'énergie de Gibbs est souvent interprétée comme la quantité d'énergie disponible pour effectuer un travail utile. En agitant un peu la main, nous pouvons interpréter cela en invoquant l'idée présentée ci-dessus selon laquelle la dispersion de l'énergie (requise par la deuxième loi) associée à un changement positif d'entropie rend en quelque sorte une partie de l'énergie transférée moins utile pour travailler. On peut dire que cela se reflète en partie dans le terme T∆S de l'équation de Gibbs.

Pour fournir une base pour des comparaisons justes des changements de l'énergie libre de Gibbs parmi différentes transformations ou réactions biologiques, le changement d'énergie libre d'une réaction est mesuré dans un ensemble de conditions expérimentales standard communes. Le changement d'énergie libre standard résultant d'une réaction chimique est exprimé en quantité d'énergie par mole de produit de réaction (soit en kilojoules ou en kilocalories, kJ/mol ou kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) lorsqu'il est mesuré à un pH standard, conditions de température et de pression. Les conditions standard de pH, de température et de pression sont généralement calculées à pH 7,0, 25 degrés Celsius et 100 kilopascals (pression 1 atm), respectivement. Il est important de noter que les conditions cellulaires varient considérablement de ces conditions standard, et donc le ∆G réel à l'intérieur d'une cellule différera considérablement de ceux calculés dans des conditions standard.

Réactions endergoniques et exergoniques

Les réactions qui ont un ∆G < 0 signifient que les produits de la réaction ont moins d'énergie libre que les réactifs. Étant donné que ∆G est la différence entre les changements d'enthalpie et d'entropie dans une réaction, un ∆G net négatif peut survenir de différentes manières. Le panneau de gauche de la figure 2 ci-dessous montre une représentation graphique commune d'une réaction exergonique. L'énergie libre est tracée sur l'axe des y et l'axe des x en unités arbitraires montre le modèle pour la progression d'une réaction. Ce type de graphique est appelé diagramme de coordonnées de réaction. Dans le cas d'une réaction exergonique illustrée ci-dessous, le graphique indique deux éléments clés : (1) la différence entre l'énergie libre des réactifs et des produits est négative et (2) la progression de la réaction nécessite un apport d'énergie libre (indiqué par une colline énergétique). Ce graphique ne nous dit pas comment l'énergie dans le système a été redistribuée, seulement que la différence entre l'enthalpie et l'entropie est négative. Les réactions qui ont un ∆G négatif et par conséquent sont appelées réactions exergoniques. Ces réactions se produisent spontanément. Comprendre quelles réactions chimiques sont spontanées est extrêmement utile pour les biologistes qui essaient de comprendre si une réaction est susceptible de « partir » ou non.

Il est important de noter que le terme spontané - dans le contexte de la thermodynamique - n'implique PAS la vitesse à laquelle la réaction se déroule. Le changement d'énergie libre ne décrit que la différence entre les états de début et de fin, PAS la vitesse à laquelle cette transition prend. Ceci est quelque peu contraire à l'usage quotidien du terme qui implique généralement la compréhension implicite que quelque chose se passe rapidement. A titre d'exemple, l'oxydation/rouille du fer est une réaction spontanée. Cependant, un clou en fer exposé à l'air ne rouille pas instantanément - cela peut prendre des années.

Une réaction chimique avec un ∆G positif signifie que les produits de la réaction ont une énergie libre plus élevée que les réactifs (voir le panneau de droite de la figure 2). Ces réactions chimiques sont appelées réactions endergoniques et ne sont PAS spontanées. Une réaction endergonique n'aura pas lieu d'elle-même sans le transfert d'énergie dans la réaction ou l'augmentation de l'entropie ailleurs.

Les réactions exergoniques et endergoniques entraînent des changements dans l'énergie libre de Gibbs. En réaction exergonique l'énergie libre des produits est inférieure à celle des réactifs tandis qu'en endergonique l'énergie libre des produits est supérieure à celle des réactifs.

La construction de molécules complexes, telles que les sucres, à partir de molécules plus simples est un processus anabolique et endergonique. D'autre part, le processus catabolique, tel que la décomposition du sucre en molécules plus simples, est généralement exergonique. Comme dans l'exemple de la rouille ci-dessus, alors que la dégradation des biomolécules est généralement spontanée, ces réactions ne se produisent pas nécessairement instantanément (rapidement). La figure 3 montre quelques autres exemples de réactions endergoniques et exergoniques. Mais rappelez-vous, les termes endergonique et exergonique ne font référence qu'à la différence d'énergie libre entre les produits et les réactifs - ils ne vous parlent pas de la vitesse de réaction (à quelle vitesse cela se produit). La question du taux sera abordée dans les sections suivantes.

Voici quelques exemples de processus endergoniques (ceux avec des changements positifs d'énergie libre entre les produits et les réactifs) et exergoniques (ceux avec des changements négatifs d'énergie libre entre les produits et les réactifs). Il s'agit notamment (a) d'un tas de compost en décomposition, (b) d'un poussin éclos d'un œuf fécondé, (c) de l'art du sable en cours de destruction et (d) d'une balle dévalant une colline. (crédit a : modification du travail par Natalie Maynor crédit b : modification du travail par l'USDA crédit c : modification du travail par “Athlex”/Flickr crédit d : modification du travail par Harry Malsch)

Un concept important dans l'étude du métabolisme et de l'énergie est celui de l'équilibre chimique. La plupart des réactions chimiques sont réversibles. Ils peuvent procéder dans les deux sens, transférant souvent de l'énergie dans leur environnement dans un sens et transférant de l'énergie de l'environnement dans l'autre sens. Il en va de même pour les réactions chimiques impliquées dans le métabolisme cellulaire, telles que la décomposition et l'accumulation de protéines dans et à partir d'acides aminés individuels, respectivement. Les réactifs dans un système fermé subiront des réactions chimiques dans les deux sens jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint. Cet état d'équilibre est l'un des plus faibles énergie libre possible et un état d'entropie maximale. L'équilibre dans une réaction chimique est l'état dans lequel les réactifs et les produits sont présents à des concentrations qui n'ont plus tendance à changer avec le temps. Habituellement, cet état se produit lorsque la réaction directe se déroule au même rythme que la réaction inverse. NOTEZ CETTE DERNIÈRE DÉCLARATION ! L'équilibre signifie que les concentrations relatives des réactifs et des produits ne changent pas dans le temps MAIS cela ne signifie PAS qu'il n'y a pas d'interconversion entre les substrats et les produits - cela signifie simplement que lorsque le réactif est converti en produit, ce produit est converti en réactif à un taux égal .

Soit un rééquilibrage des concentrations de substrat ou de produit (en ajoutant ou en retirant du substrat ou du produit) soit un changement positif de l'énergie libre, généralement par le transfert d'énergie de l'extérieur de la réaction, est nécessaire pour sortir une réaction d'un état d'équilibre. Dans une cellule vivante, la plupart des réactions chimiques n'atteignent pas un état d'équilibre - cela nécessiterait qu'elles atteignent leur état d'énergie libre le plus bas. L'énergie est donc nécessaire pour maintenir les réactions biologiques hors de leur état d'équilibre. De cette façon, les organismes vivants sont dans une lutte constante et exigeante en énergie contre l'équilibre et l'entropie.

A l'équilibre, ne pensez pas à un système statique immuable. Au lieu de cela, imaginez des molécules se déplaçant, en quantités égales d'une zone à l'autre. Ici, à l'équilibre, les molécules se déplacent toujours de gauche à droite et de droite à gauche. Le mouvement net est cependant égal. Il y aura encore environ 15 molécules de chaque côté de ce flacon une fois l'équilibre atteint.
Source : https://courses.candelalearning.com/chemistryformajorsx1xmaster/chapter/entropy/

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