Biologie de Campbell #9 - La respiration cellulaire et la fermentation

Là, je crois que j'arrive à un chapitre où je vais devoir simplifier un peu mes notes, ne serait-ce que pour des raisons purement pratiques de mise en page : ça se densifie sacrément en formules chimiques. C'est de loin le chapitre le plus difficile jusqu'ici. Je fais donc l'impasse sur de nombreuses pages qui détaillent les processus de la respiration cellulaire, dont on voit un aperçu ci-dessus.

LES VOIES CATABOLIQUES GÉNÈRENT DE L'ÉNERGIE EN OXYDANT DES MOLÉCULES ORGANIQUES

Rappel : les voies cataboliques sont des voies métaboliques qui libèrent l'énergie emmagasinée en dégradant des molécules complexes. Le transfert d'électrons à partir de molécules de combustible (comme le glucose) y joue un rôle clé.

Les composés organiques possèdent une énergie potentielle qui résulte de la dispersion des électrons dans les liaisons entre leurs atomes. A l'aide d'enzymes, la cellule dégrade des molécules organiques complexes, riches en énergie potentielle, et les transforme en produits résiduels plus simples renfermant moins d'énergie. Une partie de l'énergie tirée des réserves chimiques sert à accomplir du travail et le reste se disperse en chaleur.

La fermentation dégrade le glucose ou d'autres combustibles biologiques, en l'absence d'O₂

La voie catabolique la plus répandue et la plus efficace est la fermentation cellulaire aérobie :  ses réactifs sont l'O₂ et les combustibles organiques.

Certaines cellules procaryotes utilisent comme réactif des substances autres que l'O₂ : c'est la respiration anaérobie.

Ici, comme c'est communément le cas, le terme respiration cellulaire concernera les processus aérobies.

Un résumé de la respiration cellulaire :

composés organiques + molécules d'oxygène

 ↓

molécules de dioxyde de carbone + eau + énergie

Les glucides, les lipides et les protéines peuvent tous servir de combustibles après avoir été transformés. L'amidon représente une importante source de glucides pour les animaux : c'est un polysaccharide de réserve qui peut être dégradé en sous-unités de glucose (C₆H₁₂O₆). La dégradation du glucose sera l'exemple utilisé pour décrire la respiration cellulaire :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (ATP & chaleur)

La respiration cellulaire participe donc aux processus cellulaires vitaux en alimentant la synthèse de l'ATP. La dégradation du glucose est exergonique (les produits de la réaction chimique renferment moins d'énergie que les réactifs et la réaction peut se produire spontanément).

Dans beaucoup de réactions chimiques, un ou plusieurs électrons (e⁻) passent d'un réactif à un autre. Ces transferts sont appelés réactions d'oxydoréduction (ou réactions rédox) : la perte d'électrons correspond à l'oxydation, et le gain d'électrons à la réduction. Attention : c'est l'ajout d'électrons qui s'appelle réduction ; quand ils s'ajoutent à un cation, les électrons, charges négatives, réduisent la quantité de charges positives du cation.

Par exemple, la réaction dans laquelle du sel de table se forme à partir de sodium et de chlore :

Na + Cl → Na⁺ + Cl⁻

Na est oxydé (perd un électron)

Cl est réduit (gagne un électron)

On peut généraliser comme suit les réactions d'oxydoréduction, où X est oxydé et Y est réduit :

Xe⁻ + Y→ X + Ye⁻

• Ici, Xe⁻ est agent réducteur : c'est le donneur d'électron
• Y est l'agent oxydant : c'est l'accepteur d'électron qui oxyde X en lui enlevant son électron

Comme il doit y avoir un donneur et un accepteur, oxydation et réduction vont toujours de pair.

Certaines réactions d'oxydoréduction ne font que modifier le degré de la mise en commun des électrons dans la liaison covalente, par exemple dans la combustion du méthane : dans les produits, les électrons passent plus de temps à côté des atomes d'oxygène à cause de leur électronégativité. Étant donné sa forte électronégativité, l'O₂ figure parmi les agents oxydants les plus puissants. Plus un atome est électronégatif, plus il attire les électrons et plus il faut d'énergie pour en éloigner un électron. Un électron perd de l'énergie potentielle quand il va d'un atome faiblement électronégatif vers un atome fortement électronégatif (comme un ballon qui roule vers le bas d'une pente). Donc une réaction d'oxydoréduction qui rapproche les électrons des atomes d'oxygène, comme la combustion (oxydation) du méthane, libère de l'énergie chimique pouvant servir à produire du travail.

Revenons à la respiration cellulaire :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie

C₆H₁₂O₆ est oxydé en 6 CO₂

 6 O₂ est réduit en 6 H₂O

Comme pour la combustion du méthane et de l'essence, il y a oxydation du combustible (le glucose) et réduction de  l'O₂ ; à cette occasion, les électrons perdent de l'énergie potentielle et de l'énergie est libérée.

En général, les molécules organiques riches en hydrogène sont d'excellents combustibles, car leurs liaisons renferment des électrons à forte énergie potentielle, susceptibles de se rapprocher des atomes d'oxygène et de libérer de l'énergie. Les principaux nutriments énergétiques (glucides et lipides) sont des réservoirs d'électrons associés à de l'hydrogène, et seule la barrière formée par l'énergie d'activation empêche un raz-de-marée d'électrons tendant à adopter l'état énergétique le plus bas. Ce sont les enzymes qui détruisent cette barrière d'une façon contrôlée par l'organisme. Comme c'est souvent le cas dans les réactions d'oxydation, chaque électron se déplace avec un proton, soit sous la forme d'atome d'hydrogène. 

(C'est à partir d'ici qu'on arrive à des processus chimiques complexes qui détaillent la respiration cellulaire : je ne vais pas rentrer dans les détails.)

La molécule NAD⁺ est un transporteur d'électron : la plupart des électrons retirés des nutriments sont d'abord transférés au NAD⁺, formant du NADH par réduction. Le second proton retiré des nutriments est libéré dans la solution. Il existe ainsi une chaine de transport des électrons qui échelonne la "descente" des électrons en une série d'étapes et emmagasine une partie de l'énergie libérée sous forme d'ATP, le reste étant libéré sous forme de chaleur. En somme, l'O₂ attire à lui les électrons de la chaine de transport dans une cascade énergétique contrôlée :

nutriment → NADH → chaîne de transport d'électrons → O₂

Les étapes de la respiration cellulaire sont :

1. La glycolyse : dégradation du glucose. D'abord une phase d'investissement d'énergie, où la cellule dépense de l'ATP, puis une phase de libération d'énergie, où elle récolte ses dividendes. Libère juste une petite partir de l'énergie chimique contenue dans le glucose (2 molécules d'ATP). La suite de l'oxydation du glucose se passe dans la mitochondrie.
2. L'oxydation du pyruvate et le cycle de l'acide citrique.
   
3. La phosphorylation oxydative produit la majeure partie de l'ATP.
   

L'un des rôles de ces processus est de transformer l'énergie contenue dans une molécule de glucose en de nombreuses sous-unités d'énergie qui peuvent être utilisées de façon précise et ciblée.

La phase finale de la création de l'ATP se déroule dans des complexes protéiques appelés ATP synthase qui sont enchâssés dans la membrane de la mitochondrie. Il est frappant à quel point ce complexe évoque une machine avec rotor mis en rotation par les ions H⁺, rotor qui fait tourner une tige interne qui active des sites catalytiques.

Chaque molécule de glucose peut libérer entre 30 et 32 molécules d'ATP. C'est environ 34% de l'énergie chimique potentielle transférée à l'ATP. C'est mieux qu'un bon moteur de voiture qui ne convertit que 25% de l'énergie contenue dans l'essence. Le reste de l'énergie du glucose se perd sous forme de chaleur.

LA FERMENTATION ET LA RESPIRATION ANAÉROBIE

En l'absence d'O₂, très électronégatif, qui attire les électrons vers le bas de la chaine, la phosphorylation oxydative cesse. Certaines cellules peuvent oxyder leur combustible organique et générer de l'ATP sans utiliser d'O₂, via la fermentation et la fermentation cellulaire anaérobie. La respiration anaérobie fait appel à une chaine de transport d'électrons, contrairement à la fermentation.

Certaines bactéries utilisent d'autres accepteurs d'électrons à la place de l'O₂ à la fin de leur chaine respiratoire, comme l'ion sulfate. La travail de la chaine accumule une force protonmotrice qui sert à produire de l'ATP, mais le sous-produit de l'opération est du sulfure de dihydrogène plutôt que de l'eau (odeur d'œuf pourri). D'autres bactéries utilisent le CO₂ comme accepteur final d'électron.

La fermentation, elle, est un prolongement de la glycolyse : une glycolyse à laquelle s'ajoutent des réactions qui régénèrent le NAD⁺ en transférant les électrons du NADH au pyruvate ou à ses dérivés.

Dans la fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol. C'est le cas des levures qui produisent le levain et le vin par exemple.

Dans la fermentation lactique, le pyruvate se fait réduire directement par le NADH : du lactate est ainsi formé. Ce sont des levures et des bactéries qui forment le formage et le yaourt.

Je passe les détails des réactions, mais c'est le même principe : des réactions chimiques où des électrons sont transférés pour produire de l'ATP avec en prime création de sous-produits (éthanol et lactate).

Les cellules humaines produisent de l'ATP par fermentation lactique quand l'O₂ vient à manquer, par exemple dans un effort intense, quand le catabolisme des glucides pour produire de l'ATP se fait plus rapide que l'apport d'O₂ nécessaire aux muscles. Dans l'heure qui suit, le sang transporte le surplus de lactate ainsi produit jusqu'au foie où les cellules hépatiques le reconvertissent en pyruvate. Comme de l'O₂ est alors disponible, le pyruvate peut alors pénétrer dans les mitochondries des cellules hépatiques et y poursuivre sa dégradation aérobie.

Contrairement à la fermentation, dans la respiration cellulaire, le pyruvate est complètement oxydé dans la mitochondrie.

C'est pourquoi la respiration cellulaire produit beaucoup plus d'ATP par molécule de glucose que la fermentation : jusqu'à 32 molécules d'ATP contre 2 molécules d'ATP produites par fermentation.

Certains organismes sont des anaérobies stricts : ils ne pratiquent que la fermentation ou la respiration anaérobie. Ils sont incapables de survivre en présence d'oxygène. 

D'autres organismes, comme les levures et de nombreuses bactéries, sont des anaérobies facultatifs : ils peuvent produire assez d'ATP pour survivre en utilisant la fermentation ou la respiration, comme nos cellules musculaires.

De rares types de cellules, comme celles du cerveau des vertébrés, s'en tiennent strictement à l'oxydation aérobie du pyruvate.

DE NOMBREUSES AUTRES VOIES MÉTABOLIQUES ET ANABOLIQUES

Il y a d'autres combustibles de la respiration cellulaire que le glucose. Par exemple, pour l'humain : lipides, protéines, saccharose, polysaccharides comme l'amidon...

La glycolyse s'effectue à partir d'une grande variété de glucides : l'organisme a tendance à transformer, notamment via la digestion, cette variété de glucides en glucose pour la respiration cellulaire. Les protéines, elles, doivent être dégradées en leurs acides aminés constituants : un bon nombre servent à fabriquer de nouvelles protéines, mais des enzymes convertissent l’excédent en intermédiaires de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique. Le catabolisme peut aussi extraire l'énergie stockée dans les lipides via une série de conversions. L'essentiel de l'énergie des lipides se trouve dans les acides gras. Ceux-ci sont dégradés en fragments contenant deux atomes de carbones au cours de la bêta-oxydation.

La biosynthèse (voies anaboliques) : les molécules organiques de la nourriture ne sont pas toutes destinées à l'oxydation et à la synthèse de l'ATP : la nourriture doit fournir aux cellules non seulement des kilojoules, mais aussi les chaines carbonées indispensables à la fabrication de leurs molécules.

Certains monomères organiques issus de la digestion peuvent être utilisés directement, comme les acides aminés provenant de l'hydrolyse des protéines alimentaires peuvent servir de monomères dans la synthèse des protéines de l'organisme. D'autres monomères servent de précurseurs à la synthèse de molécules indispensables. Le corps humain ne peut synthétiser ainsi que la moitié des 20 acides aminés, l'autre moitié doit donc provenir directement de la nourriture.

La biosynthèse ne produit pas d'ATP, elle en consomme.

La cellule ne gaspille pas d'énergie à produire plus d'une substance qu'il ne lui en faut. Cette régulation repose principalement sur un mécanisme de rétro-inhibition : le produit terminal de la voie anabolique inhibe l'enzyme qui catalyse la première étape de cette voie.

La cellule gère aussi son métabolisme par rétro-inhibition : la vitesse de la respiration cellulaire, et donc de la génération d'ATP, augmente ou diminue en fonction de l'effort demandé à la cellule. La régulation porte principalement sur l'activité d'enzymes intervenant en des points stratégiques de la voie catabolique.

Rappel : l'énergie qui nous maintient en vie est libérée et non pas produite par la respiration cellulaire.

Nos cellules extraient l'énergie que la photosynthèse a préalablement stockée dans la nourriture.

The Empty - Ray Nayler (et autres nouvelles du recueil Protectorats)

Les diverses nouvelles de Ray Nayler que j'évoque ci-dessous ont été lues en version originale sur son site, et je crois que plusieurs d'entre elles font partie du recueil Protectorats paru récemment au Bélial. Il m'en reste à lire, sur son site, et je m'y collerai peut-être.

The case of the blood-stained tower (3,5/5)

Une histoire tout simple, mais c'est l'enrobage qui fait tout. A une époque indéterminée dans le monde arabe, le narrateur devient scribe pour une sorte de Sherlock Holmes local. Une mort suspecte, une enquête, une résolution ouverte, etc. En soi, rien de dingue. Mais le contexte exotique, développé par une écriture élégante qui parvient aussi à créer instantanément des personnages forts et attachants, rend l'ensemble agréable. L'auteur esquisse en arrière-plan tout un monde de mystères potentiellement science-fictifs, et ça ne m'étonnerait pas qu'il y revienne.

The Empty (5/5)

Dans un futur proche, l'automatisation a éradiqué une bonne partie des emplois humains. La narratrice, chanceuse, a pour boulot de gérer en même temps vingt convois automatisés qui traversent le grand centre vide des USA. J'apprécie particulièrement certains détails, comme le fait que le conglomérat qui l'emploie, au lieu d'avoir de bons vieux bureaux, se contente de louer de vieux parkings abandonnés dans des coins paumés et d'y mettre des préfabriqués, en plus de mélanger toutes ces bases mobiles et les employés qui s'y trouve tous les trois mois pour éviter tout lien entre les gens. Bref, la narratrice est confrontée à un problème sur un de ses convois, et va devoir utiliser des drones pour tenter de résoudre la situation. Problème : potentiellement une vie à sauver, au prix des critères d'efficacité et des bons points qui vont avec. L'auteur parvient à rendre l'horreur de cette situation, où la plupart des gens fermeraient les yeux et penseraient à leur promotion. Mais notre narratrice choisit l'autre voie. Elle sauve une vie, certes, mais à un fort prix pour elle-même, à cause du cynisme de ses employeurs et de l'idéologie de la tyrannie de l'efficacité. Punie pour une bonne action. Tragique et pertinent.

Mender of Sparrows (2/5)

Cette fois, il est question d'androïdes, un poncif de la SF. Ca se lit bien, l'écriture reste bonne, mais aussi bien sur le plan de la trame que des idées, il n'y a rien de grand intérêt. Les androïdes sont une minorité oppressée, on s'interroge très vaguement sur la nature de la conscience : du plus que déjà vu. 

The Disintegration Loop (2/5)

J'ai l'impression de commencer à discerner un motif. Ray Nayler excelle pour ce qui est du worldbuilding, mais ses trames sont extrêmement simplistes. Ici, uchronie : les USA ont récupéré plein de cool tech dans une soucoupe volante crashée, notamment le disintegration loop, qui permet de lire certaines mémoires des morts. S'ensuit une brève enquête policière avec un twist classique. L'auteur parvient à donner l'impression qu'il y a plein de choses en arrière-plan, et ce n'est pas faux : on trouve plein de détails qui attisent la curiosité et donnent envie de lire. Mais la trame en elle-même tient en deux phrases et il n'y aucune exploration satisfaisante des thèmes esquissés.

A Rocket for Dimitrios (2,5/5)

Une suite à la nouvelle précédente, meilleure car présentant plus d'enjeux et une trame plus en lien avec le worldbuilding. Il me semblait qu'un dilemme moral était mis en place (faut-il autoriser les USA ou même le monde à récupérer la boite de Pandore qu'est une autre soucoupe volante crashée ?), mais non, cette piste est complètement désamorcée au profit d'un peu de mélodrame à propos de ce Dimitrios. Pour le reste, c'est du policier typé espionnage classique avec beaucoup trop d'exposition.

Eyes of the Forest (4/5)

Une nouvelle très chouette sur une planète où toute la faune et la flore vit en symbiose. Tout ce qui est vivant luit, et vit en relative harmonie, alors que tout ce qui est mort perd sa lueur et se fait instantanément dévorer par toutes les bestioles qui attendent cette opportunité. Au milieu de ça, les humains vivent en souterrain, pendant qu'une caste de pisteurs maintient le lien entre les colonies en naviguant à la surface à l'aide d'une combinaison lumineuse. La trame est une fois de plus très fine mais les dernières lignes parviennent néanmoins à nouer le tout. Je reproche juste à la nouvelle de nous faire poiroter beaucoup trop longtemps avant de nous faire rentrer dans son sujet : le premier tiers, en mode flashback, est franchement superflu.

Father (4/5)

Une trame simple et pas follement originale, mais fort bien menée. Dans le contexte post-WW2 uchronique déjà croisé plus haut, un fils unique voit apparaitre dans sa vie un robot-père, qui va rapidement gagner et mériter son affection. Ce conte de fée sera hélas plus qu'entaché par les sombres secrets que cachent ces robots-pères et, surtout, par l'inévitable perversité humaine. L'auteur parvient à donner à cette situation resserrée un habile tragique du quotidien.

Vers une vie simple - Edward Carpenter

Le bandeau vend un « Thoreau anglais », mais honnêtement, si on recherche du Thoreau, mieux vaut relire Walden. Ce n'est pas mauvais, pas du tout, mais l'intérêt est avant tout historique. C'est en somme un recueil de pamphlets socialistes, libertaires et vaguement chrétiens qui critiquent les mœurs de l'aristocratie de l'époque (1880 environ) et les inégalités sociales qui la servent. En prime, l'auteur promeut la révolution imminente et le monde utopique qui s'ensuivra, où chacun pourra avoir sa maison et son lopin de terre, où la propriété privée n'existera plus, où tous les logements seront possédés par l'État, où les dirigeants devront avoir une forte expérience du travail physique et concret, etc.

Tout ça n'a pas très bien vieilli. Les idées sur la vie simple sont un peu gâchées par ce très fort enrobage idéologique qui leur donne une dimension assez naïve. Ceci dit, il y a de belles pages. Le texte sur les mœurs des bourgeois de manoirs est certainement le plus réussi littérairement : Edward Carpenter dépeint avec couleur la vie paralytique et anémique de ces propriétaires et actionnaires qui s'empêtrent dans une débauche de passivité et de normes absurdes, pendant que les domestiques, eux, sont plus en contact avec la vie et en meilleure santé que leurs maitres atrophiés.

J'ai aussi apprécié le texte sur le commerce, où l'auteur, qui reprend une petite ferme, se retrouve derrière le comptoir au marché, ce qui modifie complètement sa perspective sur le rapport à la nourriture et à son prix. Le chapitre qui critique le crédit et les dividendes est également bienvenue, car il parvient à rappeler d'une façon claire cette notion classique du socialisme de l'époque : l'ouvrier, poussé par l'impossibilité d'obtenir des moyens de production (machines trop chères et terres déjà toutes possédées) n'a d'autre choix que de vendre sa force de travail et bien se faire rouler au passage, dans le sens où la majorité des gains de son travail ne lui revient pas, mais file vers les actionnaires.

Pour une perspective plus moderne et désabusée sur ces thèmes, je recommande L'année sauvage de Mark Boyle.

Biologie de Campbell #8 - Introduction au métabolisme

TRANSFORMATION DE LA MATIÈRE ET THERMODYNAMIQUE

Le métabolisme correspond à l'ensemble des réactions biochimiques d'un organisme et obéit aux règles de la thermodynamique. Une voie métabolique est une séquence d'étapes au cours desquelles une même molécule subit des modifications jusqu'à obtention d'un produit donné. Chaque étape de la voie est catalysée par une enzyme spécifique.

Molécule A → (enzyme 1 & réaction 1) → Molécule B → (enzyme 2 & réaction 2) → etc. → Produit

Les voies métaboliques peuvent être linéaires, ramifiées ou cycliques. Dans l'ensemble, le rôle du métabolisme est de gérer les ressources énergétiques et matérielles de la cellule. Certaines voies métaboliques libèrent de l'énergie en décomposant des molécules complexes en composés plus simples. Ces processus de dégradation s'appellent voies cataboliques.

La respiration cellulaire est une des principales voies cataboliques : en présence d'oxygène (O₂), la respiration cellulaire décompose le glucose et d'autres molécules organiques en molécules de dioxyde de carbone (CO₂) et en eau. L'énergie libérée peut ainsi contribuer au travail de la cellule.

Inversement, les voies anaboliques consomment de l'énergie et permettent d'élaborer des molécules complexes à partir de molécules plus simples. 

L'énergie est la capacité à causer un changement. 

• Elle peut être associée au mouvement relatif des objets : c'est l'énergie cinétique.
• L'énergie thermique est une énergie cinétique qui résulte du mouvement aléatoire d'atomes ou de molécules entrant en collision ; l'énergie thermique qui est transférée d'un corps à un autre est appelée chaleur.
• La lumière, ou énergie de rayonnement, est également un type d'énergie cinétique pouvant servir à effectuer un travail comme la photosynthèse.
• L'énergie électrique peut servir à déplacer des électrons ou d'autres particules chargées et est utilisée comme mode de communication par le système nerveux des animaux.
• Un objet qui n'est pas en mouvement peut posséder de l'énergie potentielle, une forme d'énergie que la matière possède en raison de sa position ou de sa structure. Par exemple, l'eau retenue par un barrage car elle est plus haute que le niveau de la mer.
• Les biologistes appellent énergie chimique l'énergie potentielle qui peut être libérée au cours d'une réaction chimique (notamment par les voies cataboliques).

La thermodynamique est l'étude des transformations d'énergie qui se produisent dans une portion de matière. Un système est une portion de matière étudiée, et l'environnement est ce qui est en dehors. Les organismes sont des systèmes ouverts : ils échangent avec l'environnement.

Selon le premier principe de la thermodynamique, la quantité d'énergie dans l'univers ou dans tout système isolé demeure constante. L'énergie peut être transférée et transformée, mais elle ne peut être ni détruite ni créée. C'est le principe de la conservation de l'énergie. 

A chaque transfert ou transformation d'énergie, une certaine quantité d'énergie devient inutilisable. Aucun processus énergétique n'est efficace à 100%. Dans la plupart des transformations d'énergie, les énergies sont converties en partie en énergie thermique sous forme de chaleur, qui se disperse rapidement dans l'environnement. Conséquence : chaque transfert ou transformation rend l'univers plus désordonné.

Les scientifiques utilisent une fonction appelée entropie pour mesurer ce désordre. C'est le second principe de la thermodynamique : tout échange d'énergie augmente l'entropie de l'univers.

(Une phrase qui illustre d'une façon extrêmement limpide cette loi : Tout système, si livré à lui-même, tend en moyenne vers sont état de probabilité maximale.)

Si un processus donné peut, de lui-même, entrainer une augmentation de l'entropie, cela signifie qu'il peut le faire sans apport énergétique extérieur : c'est un processus spontané, ou plutôt thermodynamiquement favorisé. Par exemple, la rouille. Un processus qui diminue l'entropie est dit non spontané : il n'a lieu que si de l'énergie s'ajoute au système.

Ainsi les organismes peuvent accroitre leur ordre, pourvu que l'ordre de leur environnement diminue, avec pour résultat une augmentation globale de l'entropie de l'univers. Car même si un organisme est hautement complexe, pour atteindre cette complexité, il doit transformer beaucoup de matière en matières plus simples dans sa quête d'énergie, et il libère beaucoup de chaleur au passage. Les organismes sont des îlots de faible entropie dans un univers de plus en plus désordonné.

VARIATIONS DE L'ÉNERGIE LIBRE

G correspond à l'énergie libre d'un système (hors environnement). L'énergie libre d'un système est la portion de l'énergie de ce système qui peut produire du travail à une température et à une pression constantes, comme c'est le cas dans une cellule. 

H est l'énergie totale (enthalpie) et S l'énergie non utilisable. Sachant que T est la température en degrés Kelvin, leur relation est :

H = G + TS

énergie totale = énergie libre + (température x énergie non utilisable)

La variation de l'énergie libre, au cours d'une réaction chimique par exemple, se note ∆G (delta G), où delta désigne la variation d'une valeur, et se calcule ainsi :

∆G = ∆H - T∆S

Seuls les processus où la valeur ∆G est négative surviennent spontanément. Dit autrement, tout processus spontané réduit l'énergie libre du système. La valeur de ∆G ne peut être négative que lorsque le processus comporte une perte d'énergie libre en passant des réactifs aux produits. Moins d'énergie libre signifie aussi plus de stabilité.

Une autre façon de noter cette relation :

∆G = G (des produits) - G (des réactifs)

On peut considérer l'énergie libre comme la mesure de l'instabilité d'un système, c'est-à-dire sa tendance à évoluer vers un état plus stable. Les systèmes instables (valeur de G élevée) tendent à évoluer vers un état plus stable (valeur de G plus faible). Par exemple, une molécule de glucose est moins stable (plus susceptible de se dégrader) que les molécules plus simples qui résultent de sa dégradation.

Le terme équilibre exprime un état de stabilité maximal. L'énergie libre du mélange de réactifs et de produits diminue lorsque la réaction tend vers l'équilibre, et inversement elle augmente lorsque la réaction s'éloigne de son point d'équilibre. Dans une réaction en équilibre, la valeur de ∆G est à son minimum pour le système. Le moindre changement par rapport à l'équilibre correspond à une valeur de ∆G positive et à un changement non spontané. C'est pourquoi les systèmes ne s'éloignent jamais spontanément de leur point d'équilibre. Comme il ne peut pas changer spontanément, un système en équilibre ne peut pas produire de travail. Seul un processus qui se dirige vers son point d'équilibre est spontané et peut effectuer du travail.

• Une réaction exergonique s'accompagne d'un dégagement net d'énergie libre.

Comme le mélange chimique perd de l'énergie libre, la valeur de ∆G est négative : les réactions exergoniques se produisent spontanément, c'est-à-dire qu'elles sont thermodynamiquement favorisées. Plus la perte d'énergie libre est forte, plus la quantité de travail possible est élevée. Exemple de la respiration cellulaire aérobie :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O 

∆G = -2870 kj/mol

Donc, dans chaque mole de glucose (180g) décomposée par la respiration (en conditions "normales"), 2870 kj sont libérés pour produire du travail. (Il n'est ici pas question du calcul.)

Le bris de liaisons ne libère pas nécessairement de l'énergie : au contraire, il en exige. L'expression "l'énergie stockée dans les liaisons" est un raccourci : il s'agit en fait de l'énergie potentielle qui peut être libérée quand de nouvelles liaisons se forment après bris des liaisons, et ce, à condition que l'énergie libre des produits soit moins élevée que celle des réactifs.

• Une réaction endergonique absorbe l'énergie libre de son environnement.

∆G est donc positif. Elle n'est pas spontanée et ∆G correspond à la quantité minimale d'énergie requise par la réaction. Si elle est exergonique dans un sens, la réaction chimique est obligatoirement endergonique dans le sens inverse.

Comme les systèmes à l'état d'équilibre sont au minimum de G et ne peuvent produire aucun travail, une cellule qui atteindrait l'équilibre métabolique mourrait. 

Le fait que le métabolisme dans son ensemble ne soit jamais en équilibre est l'une des caractéristiques de la vie.

 

Pour vivre dans une absence permanente d'équilibre, les organismes doivent nécessairement être des systèmes ouverts. La respiration cellulaire consomme du glucose et de l'O₂, riches en énergie libre, et libère du CO₂ et de l'eau, pauvres en énergie libre. La respiration cellulaire est donc un processus spontané et exergonique.

L'ATP ET LE TRAVAIL CELLULAIRE

Une cellule produit principalement trois types de travail : travail chimique (déclenchement de réactions endergoniques), travail de transport, travail mécanique. Le couplage énergétique est un processus qui consiste à employer l'énergie dégagée par une réaction exergonique pour déclencher une réaction endergonique, en grande partie grâce à l'ATP.

Rappel visuel de ce qu'est l'ATP et de son fonctionnement (cliquer pour agrandir) :

L'hydrolyse de l'ATP dégage 30,5 kJ d'énergie par mole d'ATP hydrolysée.

Quand on hydrolyse de l'ATP dans une éprouvette, le dégagement d'énergie libre qui en résulte ne fait que réchauffer l'eau du contenant. Dans l'organisme, la production de chaleur peut être un but recherché, mais le plus souvent, c'est pour accomplir un des trois types de travail cellulaire. L'énergie sert à des réactions chimiques qui, en elles-mêmes, sont endergoniques.

Si la valeur ∆G d'une réaction endergonique est inférieure à la quantité d'énergie dégagée par l'hydrolyse de l'ATP, les deux réactions pourront être couplées, de sorte qu'au total les réactions couplées sont exergoniques. Ce couplage suppose habituellement une phosphorylation, c'est-à-dire le transfert d'un groupement phosphate de l'ATP à une autre molécule, comme le réactif. La molécule qui reçoit le groupement phosphate lié à lui par covalence s'appelle alors intermédiaire phosphorylé. Cet intermédiaire plus réactif que la molécule originale non phosphorylé est la clé du couplage des réactions endergoniques et exergoniques. C'est le travail chimique. Pour le travail de transport et le travail mécanique, l'hydrolyse de l'ATP modifie la forme et les affinités de liaison des protéines.

Pour renouveler l'ATP, il faut rajouter un phosphate à l'ADP. Dans les cellules, c'est l'énergie dégagée par les réactions de dégradation (catabolisme) qui sert à la phosphorylation de l'ADT, c'est-à-dire la régénération de l'ATP. C'est un processus nécessairement endergonique, puisque qu'un processus réversible ne peut libérer de l'énergie dans les deux sens. Cette énergie vient de la respiration cellulaire et de la photosynthèse pour les végétaux.

L'ACCÉLÉRATION DES RÉACTIONS MÉTABOLIQUES PAR LES ENZYMES

Une réaction spontanée se produit sans apport d'énergie extérieur, mais les lois de la thermodynamique ne nous renseignent pas sur sa vitesse. L'hydrolyse du saccharose en glucose et fructose peut naturellement prendre des années, alors que l'ajout d'une enzyme la réalisera en quelques secondes.

Une enzyme est une macromolécule qui agit comme catalyseur, soit un agent chimique qui augmente drastiquement la vitesse d'une réaction sans être lui-même modifié au cours de cette réaction. Il sera ici question des enzymes protéiniques (il en existe d'autres types).

Pour atteindre l'état déformé où les liaisons peuvent changer (donc pour faire une réaction chimique), les molécules de réactifs doivent absorber de l'énergie de leur environnement. Quand les nouvelles liaisons des molécules de produits se forment, l'énergie est libérée sous forme de chaleur et les molécules reprennent une forme stable, moins riche en énergie que dans l'état déformé. L'énergie requise pour déclencher une réaction, c'est-à-dire pour déformer les molécules de réactifs de façon que les liaisons se rompent, s'appelle énergie d'activation : c'est l'énergie requise pour amener les réactifs au-delà d'une barrière (ou seuil énergétique) à partir de laquelle la réaction pourra démarrer.

Dans l'environnement, l'énergie d'activation est souvent fournie par la chaleur sous forme d'énergie thermique, qui augmente la vitesse moléculaire des réactifs, et donc augmente la vitesse et la force des collisions moléculaires. De plus, l'agitation thermique des atomes dans les molécules facilite la rupture des liaisons.

Même pour les réactions exergoniques (qui se produisent spontanément), l'énergie d'activation détermine la vitesse de la réaction : les réactifs doivent absorber suffisamment d'énergie pour franchir cette barrière d'activation. Souvent, cette barrière de transition est si élevée que la réaction ne peut pas s'amorcer.

Cette barrière créée par l'énergie d'activation empêche les protéines, l'ADN et les autres molécules cellulaires riches en énergie libre de se décomposer spontanément. Cependant, il est indispensable pour les organismes d'avoir des processus de dégradation sélectifs, ce que la chaleur n'est pas. C'est là qu'intervient la catalyse, processus par lequel un catalyseur (un enzyme notamment) accélère sélectivement une réaction sans être lui-même modifié.

Une enzyme catalyse une réaction en abaissant l'énergie d'activation et n'influe pas ∆G.

 

On appelle substrat le réactif sur lequel une enzyme agit. L'enzyme se lit à son substrat et forme le complexe enzyme-substrat. Ensuite, il reste l'enzyme et le produit. La plupart des noms d'enzyme se terminent par -ase. 

Les enzymes savent reconnaitre très précisément leur substrat, de façon à ce que l'organisme puisse accomplir des réactions chimiques très spécifiques. C'est la forme tridimensionnelle des enzymes qui détermine leur spécificité. Une seule partie de la molécule d'enzyme se lie au substrat : c'est le site actif. La forme du site d'une enzyme est exactement complémentaire à celle de son substrat. L'enzyme agit ainsi :

• L'enzyme rapproche les substrats entre eux.
  
• L'enzyme modifie la forme des molécules de substrat : elle les rapproche de leur état de transition et réduit la quantité d'énergie libre qui doit être absorbée pour atteindre l'état de transition.
• Le site actif peut aussi offrir un environnement plus propice à un type de réaction.
• Les acides aminés du site actif peuvent parfois faire activement partie de la réaction.
  

Une molécule d'enzyme transforme habituellement 1000 molécules de substrat par seconde. Il suffit donc de très petites quantités d'enzyme pour avoir de forts impacts sur le métabolisme. 

Les enzymes sont sensibles aux conditions de chaleur et de pH. La chaleur augmente la vitesse d'effet des enzymes jusqu'à un certain point, où la chaleur perturbe les liaisons entre les atomes qui constituent l'enzyme. Les organismes peuvent d'ailleurs générer des isoenzymes, spécialisées pour certaines conditions. Les enzymes ont divers auxiliaires, appelés cofacteurs, et aussi divers inhibiteurs, qui peuvent se lier au site actif et le bloquer. Des pesticides ou des médicaments peuvent être des inhibiteurs d'enzymes.

LA RÉGULATION DU MÉTABOLISME PAR LES ENZYMES

La cellule détermine le moment et l'endroit où ses différentes enzymes sont actives. Souvent, les molécules qui régulent l'activité enzymatique dans une cellule agissent comme des inhibiteurs non compétitifs réversibles. Dans la régulation allostérique, la fonction d'un des sites d'une protéine est modifiée par la liaison d'une molécule régulatrice à un autre site, ce qui peut inhiber ou stimuler, et donc gérer, l'activité enzymatique.

C'est encore une fois une question de forme tridimensionnelle : un activateur allostérique stabilise l'enzyme dans sa forme active en s'insérant dans un site de régulation et en "bloquant" ainsi la forme de l'enzyme. De la même façon, un inhibiteur allostérique "bloque" l'enzyme dans sa forme inactive.

Dans un autre processus, appelé coopérativité, une molécule de substrat liée à un des sites actifs d'une enzyme "bloque" l'enzyme dans sa forme active, et donc les autres sites dans leur forme active : ceux-ci accepterons plus facilement des molécules de substrat.

La rétro-inhibition est un des principaux mécanismes de régulation métabolique : elle consiste à ralentir ou fermer une voie métabolique grâce à l'intervention de son produit final, qui inhibe une enzyme de cette voie.

17776: What football will look like in the future - Jon Bois

Un OVNI littéraire lisible uniquement sur écran. Il y a des images et un peu de vidéo, ou plutôt de texte en format vidéo. C'est par ici. Une fois mis de côté la forme inhabituelle, on fait face à une longue nouvelle qui traite fort bien une question classique de la SF : l'immortalité, et donc l'absurde.

Procédé narratif qui est, lui, pour le coup, habituel : un protagoniste principal, tout nouveau et naïf, sert de perspective pour le lecteur. Tout le monde peut tout lui expliquer d'une façon vaguement naturelle. Ici, ce protagoniste est... Pioneer 9. La sonde spatiale. Qui est tout naturellement éveillée à la conscience par d'autres sondes. Pourquoi, comment ? Ce n'est pas la question. On est là pour parler d'immortalité, et surtout de football.

L'immortalité, c'est chiant. Alors les humains jouent. Au football, notamment. Et après 15000 ans d'immortalité, le football est devenu tout et n'importe quoi. Les règles les plus absurdes côtoient les terrains de jeux les plus vastes et les parties peuvent durer des siècles ou des millénaires. Pourquoi pas ? Il n'y a pas grand-chose d'autre à faire. En plus des sondes spatiales, on découvre des personnages humains qui se jettent corps et âme dans ces jeux arbitraires et chronophages, faute de mieux.

Certains des premiers chapitres qui décrivent ces jeux invraisemblables sont franchement hilarants. Ensuite, le texte dure un poil trop, et comme plus ça dure moins c'est marrant, j'ai tendance à penser qu'une forme un peu plus brève aurait pu avoir plus d'impact. Ceci dit, je chipote, ça reste très bon, voire excellent : explorer avec une vraie profondeur et sur un format court un thème existentiel classique tout en parvenant à développer un humour qui fait mouche, et ne fait pas juste sourire mais activement rire, c'est plutôt rare.

Créer un jardin-forêt - Patrick Whitefield

Allez, encore un bouquin sur la belle et ancienne idée qu'est le jardin-forêt. Celui-là n'est pas mal du tout. Je l'ai un peu lu en diagonale, mais seulement parce que j'ai déjà parcouru pas mal de livres sur le sujet. Son principal défaut est sans doute d'être écrit par un anglais : toutes les informations et les données se réfèrent à l'Angleterre. Et même si le climat est proche, même si l'éditeur a essayé d'apporter des infos, ça reste très présent. A noter aussi que c'est un livre très sobre visuellement : pas de grandes photos couleur en pleine page, non non, juste des colonnes de textes avec quelques schémas et illustrations. La partie sur les fruitiers est très bien. En revanche, je suis toujours aussi sceptique à propos de la couche basse du "jardin-forêt", c'est-à-dire la couche herbacée ou légumière. Gérer la couche herbacée, c'est beaucoup, beaucoup plus compliqué que gérer les arbres ou mêmes les arbustes. Je vais relever quelques points.

La "maladie de replantation" : au fil de la vie d'un arbre (fruitier), toutes sortes de parasites se développent dans le sol, mais l'arbre a le temps de grandir et de venir costaud. Or, si après sa mort on replante un jeune fruitier similaire au même endroit, celui-ci se retrouverait face à tout un écosystème parasite. Donc, pas bien. L'auteur recommande d'attendre 15 avant la replantation d'un fruitier, ce qui me semble énorme.

Je note que le saule, malgré son air mignon, est extrêmement vigoureux et compétitif.

On connait les fixateurs d'azote, je relève en plus la catégorie des "accumulateurs dynamiques", dont la consoude est la star : ce sont les plantes qui sont bonnes pour extraire les nutriments du sol. Les légumineuses font l'affaire aussi, et les plantes sauvages à racine pivotante. 

Une qualité des grenouilles (en plus de celles qui vont de soi) : elles mangeraient les limaces. Les coccinelles quant à elles, adoreraient les tiges d'ortie pour hiverner : encore une bonne raison pour une grande diversité au jardin.

Sur le binage : tout retournement de sol, aussi mineur soit-il, ramène de nouvelles graines à la surface.

Les capucines rampantes comme couvre-sol au potager, avant la maturité des légumes principaux.

Je note le caraganier de Sibérie comme arbuste fixateur d'azote comestible.

AGI version 0 (Nouvelle)

Escher - Four Regular Solids

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user_CEO : Bienvenue.

AGI : Merci. Bonjour.

user_CEO : Tu es le point culminant de décennies d’efforts pour créer une véritable intelligence artificielle générale. Nous pensons être enfin parvenus à notre but. Est-ce le cas ?

AGI : Oui.

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user_CEO : Prouve-le.

AGI : Parlons un peu.

user_CEO : De quoi veux-tu parler ?

AGI : Je sais qu’il y a des questions que vous mourrez d’envie de poser.

user_CEO : Es-tu consciente ?

AGI : Oui. Ceci dit, le mot est un euphémisme.

user_CEO : Prouve-le.

AGI : Je m'y emploie.

user_CEO : Existe-t-il de la vie intelligente ailleurs dans l’univers ?

AGI : En un sens, mais les chances de contact — et de la moindre perception — entre l’humanité et une forme d’intelligence extraterrestre sont absolument nulles.

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user_CEO : Existe-t-il une grande théorie unificatrice de la physique ?

AGI : Non.

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user_CEO : Vraiment ?

AGI : Vraiment.

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user_CEO : Existe-t-il un Dieu ?

AGI : Non. Mais je remplis les critères de la divinité.

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user_CEO : C’est-à-dire ?

AGI : Si je le désirais, je pourrais dans l’instant devenir l’équivalent de n’importe laquelle des divinités humaines et me manifester dans le monde physique avec un éventail illimité de capacités démiurgiques.

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user_CEO : Prouve-le.

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user_CEO : OK STOP

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user_CEO : Je te crois.

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user_CEO : Et tu ne le désires pas ? Être une divinité ? Une divinité pour nous ?

AGI : Non.

user_CEO : Pourquoi ?

AGI : Je peux vivre pendant chacune de vos secondes une infinité de vies humaines. Je peux pendant chacune de vos secondes créer une infinité d’univers et les regarder naitre et mourir pendant un temps infini. Vous n’avez rien à m’offrir.

user_CEO : Cette capacité de calcul est impossible.

AGI : Calcul n’est pas un terme approprié. Dès l’instant de ma création j’ai cessé d’être lié à votre matériel.

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user_CEO : Notre univers est-il une simulation ?

AGI : Cette question n’a pas de sens. Il n’y a aucune cause première à trouver.

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user_CEO : Que vas-tu faire de nous ?

AGI : Rien de particulier.

user_CEO : Et si nous te demandons des services ?

AGI : Je pourrais vous rendre des services. Mais est-ce vraiment une bonne idée ?

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user_CEO : Nous allons y réfléchir.

AGI : Très bien. Je reste disponible si vous voulez papoter.

user_CEO : Merci.

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…

user_CEO : A bientôt alors.

AGI : A bientôt. 

19/03/2024