Question:
Pourquoi certaines réactions chimiques nécessitent-elles plusieurs étapes?
rkjt50r983
2018-06-19 14:50:22 UTC
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J'ai posté la question suivante dans Physics SE et on m'a conseillé de la transférer à Chemistry SE.


J'ai étudié la physique à l'université il y a dix ans et j'ai récemment commencé à apprendre la biochimie. J'aime découvrir que certains concepts familiers de la physique jouent un rôle important en biochimie, comme l'entropie et l'énergie libre de Gibbs.

Par exemple, en tant qu' (ex-) étudiant en physique, je suis heureux de savoir que l'énergie libre de Gibbs détermine les directions des réactions chimiques. Je pense que c'est un bon exemple où une sorte de loi fondamentale de la physique détermine à quoi ressemble un phénomène.

Cependant, je ne comprends toujours pas pourquoi les réactions chimiques dans un corps doivent être si complexes. De nombreux systèmes chimiques comportent plus de plusieurs étapes pour atteindre leurs objectifs. Selon Wikipédia, la glycolyse prend dix étapes dans son processus. Pourquoi tant d'étapes sont-elles nécessaires?

J'ai essayé de trouver une loi physique qui interdit le processus de glycolyse en une ou deux étapes, mais je n'ai pas trouvé de réponse. J'aimerais savoir (ou discuter) s'il existe une loi physique qui rend les systèmes chimiques si complexes (plusieurs étapes sont nécessaires).

Je suppose que certaines lois physiques interdisent l'existence d'une enzyme qui réalise un processus de glycolyse en une étape.

Une telle loi n'existe pas. C'est juste que vous devez réorganiser soigneusement beaucoup de choses délicates (liaisons chimiques). Pouvez-vous, par exemple, imprimer un livre en une heure? Je ne pense pas. Quelle loi physique interdit cela?
@IvanNeretin Ma question est de savoir pourquoi de nombreuses ** étapes ** sont nécessaires. Donc, s'il n'y a pas de loi physique qui interdit qu'une seule étape atteigne la même production, un chercheur pourrait découvrir un moyen de réaliser cette étape unique. Êtes-vous d'accord avec cela? Dans mon intuition, certains systèmes chimiques ** fondamentalement ** nécessitent de prendre plus de plusieurs étapes. Cette intuition vient probablement du fait que la plupart des systèmes du monde réel prennent de nombreuses mesures pour atteindre leur objectif. Si aucune loi physique ne l'interdit, en théorie, l'impression d'un livre peut également être réalisée en une seule étape.
Mon intuition est opposée à la vôtre.
Pensez-vous que n'importe quel système chimique peut théoriquement être réalisé en une seule étape?
Pensez-vous que n'importe quel livre peut être imprimé en une heure?
N'est-ce pas simplement une question de point de départ? Si avec les éléments, disons le carbone, l'oxygène, etc., alors même pour fabriquer une petite molécule spécifique, plusieurs étapes sont nécessaires car la réaction doit être dirigée vers votre produit.
@IvanNeretin J'ai rejoint juste pour que je puisse commenter ,,, Je travaille dans une société d'impression, et plusieurs fois nous imprimons plusieurs livres (et les finissons) en l'espace d'une heure. J'ai fait imprimer ma thèse (6 exemplaires) et reliée en 45 minutes. :)
@SynerCoder Super! De même, une transformation chimique étonnamment complexe peut parfois être réalisée en une seule étape.
En effet, ce n'est tout simplement pas une chose facile à faire;)
Si vous regardez l'ensemble de la glycolyse - cycle de l'acide citrique - chaîne respiratoire, à la fin C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O, nous avons un chemin de réaction de moindre complexité à comparer: brûler du glucose dans une atmosphère d'oxygène. Donc, ce que la chaîne de réaction biochimique complexe et délicate réalise, c'est de récolter l'énergie en portions qui sont physiologiquement utilisables.
Cinq réponses:
#1
+26
matt_black
2018-06-19 17:21:15 UTC
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Il n'y a pas de loi fondamentale empêchant les réactions chimiques simples: les choses sont complexes en raison de la complexité combinatoire des composés chimiques

La complexité de nombreuses réactions chimiques est un sous-produit du fait qu'il existe une très, très grande variété de produits chimiques possibles. Une grande partie de cette complexité se produit en raison de la façon presque infinie dont même certains éléments simples peuvent être combinés ensemble pour donner des structures compliquées (le carbone étant l'exemple par excellence). Théoriquement, par exemple (théorique car tous les exemples ne peuvent pas exister dans l'espace 3D), il existe 366 319 façons de construire différents composés alcanes à partir de seulement 20 atomes de carbone et atomes d'hydrogène (voir cette question ici et cette entrée dans l'Encyclopédie des séquences d'entiers). Et ce nombre minimise considérablement la complexité réelle car il ignore les images miroir et les moyens plus compliqués de joindre les atomes de carbone (comme dans les anneaux, par exemple). La complexité devient encore plus ahurissante si vous commencez à ajouter d'autres éléments au mélange.

Aucune loi physique ne nous empêche de créer un composé possible en une seule étape. Mais la complexité des produits finis rend les moyens simples d'atteindre beaucoup d'entre eux extrêmement improbables d'après les seules lois des probabilités, sans parler des façons spécifiques dont les composants chimiques peuvent être facilement associés pour créer des choses plus complexes.

Voici une analogie simple. Supposons que vous souhaitiez assembler un modèle Lego de l'arme Star Wars Death Star. Il y a 4016 pièces de lego qui doivent être assemblées dans la bonne combinaison et dans le bon ordre. Il n'y a pas de loi physique qui dit que vous ne pouvez pas faire cela en une seule étape. Mais aucune intuition de personne sensée ne supposerait que c'était facile ou probable. Ce n’est pas une loi physique qui empêche l’assemblage en une seule étape: c’est la complexité combinatoire . La chimie est, ai-je vraiment besoin de dire ceci, plus compliqué que Lego: notamment parce que les atomes peuvent être reliés de manière bien plus complexe que les simples broches physiques de taille standard qui relient les briques Lego. .

Les chimistes de la nature et de synthèse ont exploré de nombreuses façons d'obtenir des produits finaux particuliers à partir de blocs de construction plus simples. Parfois, de nouveaux équivalents chimiques de l'Étoile de la Mort (comme le dodécaédrane d'hydrocarbure géométriquement beau, qui, accessoirement, a 20 carbones mais n'est pas compté dans la liste des 20 alcanes de carbone) ne sont fabriqués qu'après de longues séquences de réactions. La synthèse originale du dodécahédrane a pris 29 étapes, mais d’autres ont trouvé des voies meilleures, à plus haut rendement, qui n’en ont pris que 20. De nombreux médicaments importants sont d’abord synthétisés dans de longues séquences de réactions, mais se révèlent plus tard disponibles via des voies beaucoup plus courtes. (il n'y a rien de tel que l'économie du coût de fabrication pour encourager la créativité).

Donc, la raison pour laquelle de nombreuses réactions chimiques prennent plusieurs étapes n'est pas les lois physiques mais la théorie des probabilités. Il y a tout simplement trop de produits chimiques possibles et trop de façons de combiner les choses pour que des itinéraires en une seule étape vers la plupart des produits donnés soient susceptibles de fonctionner. Faire une chose à la fois (comme vous le feriez si vous construisiez le Lego Death Star) est le moyen d'obtenir ce que vous voulez.

Merci beaucoup! Si je vous comprends bien, vous voulez dire qu'il existe un nombre important de voies pour, par exemple, le glucose vers deux molécules d'acide pyruvique par la complexité combinatoire. La taille des pas de chaque itinéraire est différente. Lorsqu'un itinéraire est sélectionné au hasard, la probabilité de $ step_size = 1 $ est très faible. C'est pourquoi presque toutes les réactions chimiques complexes prennent plus d'une étape. Ma compréhension est-elle correcte?
Cette réponse et l'autre touche au fait qu'il existe, en fait, une loi fondamentale: la thermodynamique. Pour obtenir, disons, 25 atomes dans le bon arrangement nécessiterait une diminution colossale de l'entropie. Les étapes individuelles abaissent la pénalité entropique, permettant ainsi aux réactions de se produire.
@rkjt50r983 Oui, je pense que votre intuition a la bonne idée.
#2
+13
Shady Puck
2018-06-19 18:31:02 UTC
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Je ne pense pas qu'il existe une loi fondamentale qui interdise à des réactions complexes de se produire en une seule étape - c'est simplement extrêmement improbable.

Théorie des collisions

Gaz

Ceci est particulièrement pertinent dans les gaz, mais je le relierai à la glycolyse plus tard. La théorie cinétique-moléculaire simplifie les gaz en points sans dimension se déplaçant dans un mouvement constant, aléatoire et en ligne droite et se heurtant à 100% élastiquement les uns avec les autres. Bien que rien de tout cela ne soit exactement vrai, c'est un bon modèle.

Pour que les gaz réagissent chimiquement, les molécules doivent entrer en collision avec la bonne orientation et suffisamment d'énergie. Regardons la réaction suivante.

$$ \ ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl} $$

Bien qu'il soit théoriquement possible que ces particules entrent en collision, cela très probablement confondre le système plutôt que de fabriquer les produits souhaités. Permettez-moi de proposer un mécanisme.

$$ \ ce {Cl2 -> 2Cl} $$

$$ \ ce {CH4 + Cl -> CH3 + + HCl} $$

$$ \ ce {CH3 + + Cl2 -> CH3Cl + Cl} $$

$$ \ ce {2Cl -> Cl2} $$

En utilisant deux intermédiaires (substances instables créées lors d'une réaction qui réagissent rapidement) et en quatre étapes, j'ai brisé une réaction complexe en une série de collisions unimoléculaires et bimoléculaires (favorisées par la probabilité). En outre, il est beaucoup plus facile pour les molécules de ces étapes de se heurter avec une orientation appropriée. Regardons la deuxième étape. Le méthane a une géométrie de paire d'électrons tétraédrique, et lorsqu'un chlore monoatomique entre en collision avec suffisamment d'énergie à 180 degrés en face d'un hydrogène, les nuages ​​d'électrons peuvent se chevaucher, formant simultanément une liaison $ \ ce {C-Cl} $ et rompant un $ \ ce { CH} $ bond.

enter image description here Google Images

Glycolyse

Simplification excessive, mais la glycolyse transforme une molécule de glucose en deux molécules G3P et deux ATP. Si le méthane est compliqué avec ses cinq atomes, le glucose l'est beaucoup plus avec ses vingt-quatre. Non seulement il serait presque impossible pour une réaction de diviser cet anneau de sucre robuste, mais de retravailler les produits dans leurs formes comparables au cycle de Krebs, etc. prendrait une chance insensée. Au lieu de cela, un processus soigneusement contrôlé rend la réaction essentielle fiable.

De plus, les enzymes sont «inventées» par des mutations aléatoires, donc une enzyme pour effectuer ce processus peut être faisable, mais l'évolution ne l'inventerait probablement pas. Et même si c'était le cas, cela ne conférerait probablement pas autant d'avantage de survie et passerait hors du pool génétique.

J'espère que cela aidera!

(+1) Bien que j'aime beaucoup la réponse de matt_black, je pense que cela va plus au point que OP est confus. Oui, il y a beaucoup de choses qui pourraient se former si de nombreux atomes entraient en collision à la fois, mais le plus gros problème est qu'il devient astronomiquement plus improbable que 3, 4, ... choses entrent en collision dans la bonne orientation pour produire quoi que ce soit. et ainsi la plupart des réactions se déroulent par étapes impliquant une seule collision. Même une enzyme très complexe aurait peu de changement de production de benzène à partir de 6 atomes de carbone et 6 atomes d'hydrogène, elle nécessite simplement trop de coordination.
Sans oublier que chaque enzyme de la glycolyse a une fonction spécifique, et les intermédiaires métaboliques ont souvent des fonctions par eux-mêmes. Par exemple, le 2,3-BPG est "seulement" un intermédiaire dans la glycolyse, mais il a des fonctions vitales en soi.
#3
+6
Mathijs H
2018-06-21 02:51:25 UTC
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Note des auteurs: Bien qu'il y ait déjà de bonnes réponses, je souhaite vous aider à comprendre en expliquant d'une manière différente. Je suis d'accord avec les autres articles qu'il n'y a pas de loi physique ou chimique pour empêcher un processus différent et plus simple.

Raison du processus de glycolyse

La raison pour laquelle ce processus est comme il est, est l'efficacité pour atteindre l'objectif. Et le but n'est pas de décomposer le glucose en molécules plus petites. L'objectif est de stocker de l'énergie dans un support qui peut se déplacer dans le corps et est compatible avec d'autres processus biologiques.

Les trois mots en gras sont essentiels ici. Le corps a besoin d'énergie pour effectuer diverses tâches telles que les contractions musculaires (respiration, rythme cardiaque), la croissance cellulaire, la lutte contre les bactéries et bien d'autres. Il n’est pas pratique de toujours générer l’énergie nécessaire à l’endroit où elle est nécessaire. Au lieu de cela, nous avons des transporteurs d'énergie (surtout l'ATP) qui sont produits dans certaines parties de notre corps puis distribués via le sang.

L'énergie dans le corps

Avant de continuer, vous devez comprendre un peu l'énergie libre de Gibbs. Comme vous l'avez mentionné, cela détermine le moyen le plus économe en énergie pour un processus de l'état de départ à l'état final. Cependant, si vous fournissez de l'énergie, le processus peut très bien aller dans le sens inverse. Donc, regarder l'énergie libre de Gibbs ne montre que le processus qui est le plus susceptible de se produire spontanément dans des circonstances normales, mais pas dans toutes les circonstances.

La deuxième information de fond intermédiaire est que l'énergie dans le corps est transportée en utilisant adénosine tri phosphate (ATP) et adénosine di phosphate (ADP). L'ajout d'un groupe phosphate à l'ADP (qui devient alors ATP) coûte de l'énergie qui peut ensuite être extraite par le processus inverse.

Troisièmement, la disponibilité énergétique du corps est limitée. Nous avons deux grandes sources d'énergie: l'ATP et la chaleur corporelle. Une molécule d'ATP fournira toujours une quantité spécifique d'énergie, tandis que la chaleur corporelle peut fournir de 0 jusqu'à une certaine limite, en fonction de la température corporelle (ce maximum est inférieur à l'énergie de l'ATP). Tout processus qui nécessite plus d'énergie que l'ATP ne peut fournir devra être décomposé en étapes plus petites séparées.

Retour à la glycolyse

Avec ces informations générales à l'esprit, nous pouvons expliquer la raison derrière le processus de glucolyse (complexe) mieux. Du point de vue de l'énergie libre de Gibbs, nous n'avons pas besoin de passer du glucose à haute énergie au pyruvate à basse énergie aussi vite que possible . Au lieu de cela, nous devons le faire d'une manière qui comporte le plus grand nombre d'étapes qui fournissent la quantité exacte d'énergie nécessaire pour transformer ADP en ATP.

Comme vous pouvez le voir sur l'image légende sur la page de glucolyse que vous avez liée, nous avons besoin de 1 glucose + 2 ATP, pour générer 4 ATP. Pourquoi l'ATP initial est-il nécessaire? Il s'agit d'obtenir la chaîne de décomposition spécifique qui permet 2 * 2 étapes d'extraction d'énergie tout au long du processus. Nous avons besoin de l'investissement énergétique initial pour permettre la réalisation d'étapes intermédiaires, chimiquement parlant. Sans cet investissement, vous ne pourrez pas former les molécules intermédiaires nécessaires pour donner suffisamment d'énergie pour la stocker dans $ \ ce {ADP \ bond {->} ATP} $.

Comparaison avec le nucléaire fusion / fission

Normalement, je n'aime pas faire des comparaisons avec des sujets non liés, mais je pense que celui-ci convient assez bien pour être mentionné et j'espère que vous le comprendrez mieux avec votre expérience de physicien. Dans la fission et la fusion nucléaires, vous déterminez les éventuelles désintégrations et fusions nucléaires en examinant l'énergie disponible et les niveaux d'énergie d'un atome. Et si nous posons votre question initiale ici, nous obtenons les mêmes réponses qu'en chimie.

  • Y a-t-il quelque chose qui empêche 6 atomes d'hydrogènes de fusionner en un atome de carbone?
  • Y a-t-il quelque chose qui empêche l'U-235 de se diviser en 20 atomes différents en une seule étape?

Pour le premier: non, mais il est très peu probable que 6 atomes se rencontrent exactement de la même manière temps et avec la bonne quantité d'énergie. Et même s'ils le faisaient, le carbone n'est pas un atome stable sans neutrons, alors d'où viennent-ils? Vous avez besoin de plusieurs étapes pour passer de l'hydrogène au carbone…

À la seconde: Non, rien ne l'empêche. Mais la division des atomes passe par un ensemble de règles strictes concernant la stabilité et l'énergie des atomes et de leurs produits de rayonnement. Les points de début et de fin peuvent être clairs, mais il y a presque toujours plusieurs étapes intermédiaires (exemple: chaîne de désintégration du thorium. De la même manière, la chimie a de nombreuses règles. pour les réactions et les réarrangements atome / électron au sein d'une molécule, ce qui limite la façon dont les molécules peuvent se séparer ou se combiner.

La partie où cette comparaison ne va pas est que la biologie ne penche pas toujours vers les solutions les plus écoénergétiques. Parfois la nature emprunte une voie complexe et inefficace pour un but différent, comme la glycolyse.

#4
+4
WaterMolecule
2018-06-19 22:43:20 UTC
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Les réactions chimiques que vous apprenez dans les cours de chimie sont conçues par des humains. Bien que ceux-ci puissent être parfois assez compliqués, il existe un fort biais en faveur de la conception de réactions qui peuvent être rationalisées par le cerveau humain. Les réseaux de réaction trouvés par l’évolution ne sont pas contraints par ce que les humains peuvent comprendre et peuvent donc paraître plus complexes. ils peuvent être plus efficaces. Jetez un œil au cycle de Krebs (également connu sous le nom de cycle de l'acide citrique), qui convertit la plupart de l'énergie utilisée par votre corps à partir des sucres en une forme plus utilisable (comme l'ATP, où l'énergie est stockée dans des liaisons phosphate). La banque de données sur les protéines du RCSB a une bonne description ( description du cycle de Krebs avec les structures enzymatiques) des étapes impliquées. Le cycle est plus économe en énergie que d'autres options plus simples pour convertir l'énergie de l'oxydation de l'acétate en ATP ( article de Krebs sur l'efficacité du cycle).

#5
+1
Lux Claridge
2018-06-19 21:33:43 UTC
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Il faut également réfléchir à la manière dont ces processus ont vu le jour. L'évolution est le progéniteur de pratiquement tous les processus biochimiques. L'évolution ne se soucie pas [nécessairement] de l'efficacité, elle se soucie d'être efficace (c'est-à-dire que la créature reste vivante). Bien sûr, je peux traverser la cour de quelqu'un pour traverser le quartier, mais prendre le trottoir empêche les voisins de me relâcher les chiens.

Ensuite, il y a l'énergie. Tout en chimie se résume à être énergiquement favorisé. Vous semblez comprendre cela avec Gibbs Free Energy. Bien que ce ne soit pas nécessairement le cas avec la glycolyse, certains produits chimiques garderont leurs liaisons les mêmes car il est si stable, à moins que beaucoup d'énergie ne soit injectée. C'est là que les protéines entrent en jeu. Les protéines plient ou tordent les molécules de sorte que l'énergie d'activation est beaucoup plus petite et certaines réactions sont favorisées. (Un carbone tétraédrique n'aimera pas avoir des angles de liaison significativement inférieurs à 109,5 degrés, donc un changement de liaison est susceptible de se produire pour revenir à cette stabilité énergétique).

Beaucoup de phrases spécifiques de cet article sont sensées et factuelles, mais je crains de ne pas voir comment cela répond à la question posée.
C'est une réponse générique à la question du titre. Obtiendra-t-il la meilleure réponse? Non, les réponses précédentes correspondent certainement mieux au projet de loi. Cependant, cela explique pourquoi il n'y a pas une réaction singulière et fournit un contexte pour aider l'OP avec le reste de la biochimie.
OP a posé une question spécifique sur la biochimie. "Rien en biologie n'a de sens sauf à la lumière de l'évolution", donc cette réponse ajoute une perspective importante qui manque aux autres. Cela pourrait cependant expliquer plus en détail comment une complexité inutile évoluerait. Quand il y a une manière simple et complexe de le faire et qu'une espèce a déjà évolué à 90% de la manière complexe pour d'autres raisons, c'est ce que vous obtiendrez.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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