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.

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.

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!

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.

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).

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).