L'agitation thermique au coeur de la cellule

[invite217f3aaa]

Bonjour, des années que j'essaie de comprendre la thermodynamique de base, des années d'échecs
Voila j'essaie de me représenter la cellule autrement que comme un ballet bien ordonné de molécules mais plutôt comme un grand "bordel" moléculaire puisqu'apparemment c'est ainsi que font les molécules.
Est ce que quelqu'un sait quel est l'ordre de grandeur de l'énergie d'activation des réactions biochimiques ?

Et est ce que l'agitation thermique, chez un endotherme, est à même de provoquer des réactions qui normalement nécessiteraient un apport d'énergie ( hydrolyse ATP par exemple ) ? Je me doute bien que oui, mais est ce quantitativement important ? Y a t'il des systèmes qui empêchent les "réactions illégitimes" entre mauvaises molécules ? Ou d'autre reconnaissant les "mauvaises protéines" issues de ces réactions ( le protéasome ?) ?
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[inviteaefe4c90]

Bonjour, des années que j'essaie de comprendre la thermodynamique de base, des années d'échecs
Voila j'essaie de me représenter la cellule autrement que comme un ballet bien ordonné de molécules mais plutôt comme un grand "bordel" moléculaire puisqu'apparemment c'est ainsi que font les molécules.
Est ce que quelqu'un sait quel est l'ordre de grandeur de l'énergie d'activation des réactions biochimiques ?

Et est ce que l'agitation thermique, chez un endotherme, est à même de provoquer des réactions qui normalement nécessiteraient un apport d'énergie ( hydrolyse ATP par exemple ) ? Je me doute bien que oui, mais est ce quantitativement important ? Y a t'il des systèmes qui empêchent les "réactions illégitimes" entre mauvaises molécules ? Ou d'autre reconnaissant les "mauvaises protéines" issues de ces réactions ( le protéasome ?) ?

Bonjour,

Je partage la même vue de l`effet de l`agitatioon thermique qui provoque un bordel comme vous le dites, ce qui formidable c`est que la cellule poursuit son travail métabolique malgré ce désordre ambiant. Aussi sur le même élan, ce qui rend difficile d`admettre que l`agitation thermique joue un rôle important, Je crois, est du à la valeur de cette agitation qui peut ce traduire en énergitiquement par un peu plus de 2,5 kj/mole,ce qui est nettement plus faible que ce que nécessite les liaisons covalentes qui sont fortes, ou même de la majorité des liaisons chimiques faibles, comme les liaisons hydrogènes 12 à 30 kj/mol, ioniques 20 kj/mole ou hydrophobes 40 kj/ approx. (que ces liaisons soit intra ou intermoléculaire).

La liaison qui me vient à l`esprit qui est la plus près et la plus susceptible d`être affecté par l`agitation thermique sont les liaison de Van Der Waals qui peuvent ce situer entre 0,4 et 4 kj/mole. Ces dernière et la majorité des forces faibles, sont assez importantes dans la stabilités des structures cellulaires à cause, non de leur énergies, mais à cause de leurs grand nombres qui renforce et maintient les liens structurales. L`effet de l`agitation thermique peut dans certains cas comme celles de force de V D Waals déstabiliser certains liens mais du à leur nombres donc contribu à l`effet inverse.

Par contre l`effet de cette agitation ne peut-être négligé, car est globale et constante dans un organisme. Elle doit contribuer,je pense, comme un catalyseur à diminuer l`énergie d`activation (en réalité il diminue l`énergie que doit fournir le système pour atteindre l`état de transition) de toutes ou presque les réactions, ce qui la rend moins négligeable. Aussi cette agitation thermique peut favoriser une réaction chimique sous la forme de mouvement vibrationnelle (une cinétique interne) qui peut augmenter leur quantité de mouvement aux molécules dans une direction. Même si il ni a pas mouvement directionnelle, la vibration peut réduire une distance de réaction par leur vibration d`approx. 0,5 Ä. Il y a aussi les mouvement rotatoire de molécules ce situant au niveau membranaire tel le phospholipide qui vont diffuser dans la membrane, de translation tous ayant des effet au niveaux réactionnel.

Il s`agit donc selon cette analyse que l`agitation thermique est tel un bruit de fond ou un chaos ambiant qui fournit une poussée minimale et possiblement directionnelle vers l`ordre (ou une complexité accrue) du système biologique ou peut contribuer à rendre possible une réaction près d`un seuil de réalisation.

N.B. Le terme complexité est utilisé de façon strictement subjective.

[invitead282ff2]

Bonjour,
je pense que vu la densité "monstrueuse" qui rêgne au sein de la cellule (le cytoplasme bactérien possède une concentration en protéine de l'ordre de 200-300 mg/ml !!!!), la part de l'agitation thermique dans les mécanismes réactionnel entre molécules doit s'en retrouver bien limité.
Le coefficient de diffusion d'une molécule sphérique varie en fonction de l'inverse du coefficient de viscosité. Ce qui me semble bien indiqué que l'agitation thermique diminue en fonction de l'augmentation de la densité.

Je pense que si l'agitation thermique était plus importante, il serait beaucoup plus compliqué pour la cellule de réguler sa biochimie interne.
J'aurais plutot penser que l'agitation thermique au sein d'une cellule était bien moindre que celle en solution lors d'expérience in vitro du fait de la viscosité très importante, et qu'ainsi, c'était plutot un frein plutot qu'une contribution importante aux réactions biochimiques.

En même temps, le périplasme bactérien est dépourvu d'ATP... et possède des enzymes qui fonctionnent très bien, sans ajout d'énergie extérieur. Mais la densité du périplasme me semble inférieur.

Morphine

[inviteaefe4c90]

Bonjour,
je pense que vu la densité "monstrueuse" qui rêgne au sein de la cellule (le cytoplasme bactérien possède une concentration en protéine de l'ordre de 200-300 mg/ml !!!!), la part de l'agitation thermique dans les mécanismes réactionnel entre molécules doit s'en retrouver bien limité.
Le coefficient de diffusion d'une molécule sphérique varie en fonction de l'inverse du coefficient de viscosité. Ce qui me semble bien indiqué que l'agitation thermique diminue en fonction de l'augmentation de la densité.

Je pense que si l'agitation thermique était plus importante, il serait beaucoup plus compliqué pour la cellule de réguler sa biochimie interne.
J'aurais plutot penser que l'agitation thermique au sein d'une cellule était bien moindre que celle en solution lors d'expérience in vitro du fait de la viscosité très importante, et qu'ainsi, c'était plutot un frein plutot qu'une contribution importante aux réactions biochimiques.

En même temps, le périplasme bactérien est dépourvu d'ATP... et possède des enzymes qui fonctionnent très bien, sans ajout d'énergie extérieur. Mais la densité du périplasme me semble inférieur.

Morphine

Bonjour,

Je suis d`accord certe qu`il est important de mentionner l`effet " tampon" possible de la viscosité sur l`agitation termique. Cependant il faut prendre en considération, la possibilité que lorsque la concentration de certains constituants augmentes, la probabilité de réactions exothermique doit augmenté proportionellement. La libération de chaleur produite en ces endroits plus dense par ces réactions entraineraient une fluctuation de l`agitation thermique locale qui compenserait l`effet "tampon" de la viscosité. Bien entendu il y a diffusion de cette chaleur par la suite en fonction de la distance.

Il m`est important de mentionner que l`agitation thermique dépend de la température, par exemple, le corps fonctionne à 37 C sans grande variation et que le maintient à cette température est fondamentale pour les réactions métabolique. Lors d`expérience d`hypothermie moyenne induite de 5 degré, le flux glycolitique et respiratoire diminuent de 20%. Ce qui devrait en principe être corrélé à la présence d`une agitation minimale nécessaire au métabolisme.

cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite217f3aaa]

J'aurais plutot penser que l'agitation thermique au sein d'une cellule était bien moindre que celle en solution lors d'expérience in vitro du fait de la viscosité très importante,

La viscosité dépend vraiment autant de la température ? Entre la glace et l'eau OK, mais entre l'eau à 10°C et de l'eau à 37°C il doit pas trop y avoir de différence, si ?
Ou alors j'ai mal compris et tu dis que les concentrations élevées sont un frein aux réactions biochimiques car elles augmentent la viscosité. Mais ça me paraît un contre-sens.

la valeur de cette agitation qui peut ce traduire en énergitiquement par un peu plus de 2,5 kj/mole

Je n'ai pas trouver comment on peut exprimer cette agitation thermique en terme d'énergie. Et cette énergie doit être retrancher des énergies d'activation (Ea )? Où alors est elle pris en compte dans l'évaluation de l'Ea des réactions biochimique ? Je n'ai pas réussi à trouver un petit tableau des réaction biochimique de base et leur Ea....

Est ce que la spécificité des réactions est diminuée avec la température ? Par exemple l'ADN fait d'autant plus de mésappariement que la température est élevée, est ce qu'une enzyme spécifique d'une réaction peut en fait catalyser ( à moindre constante de vitesse ) une autre réaction ?

[invite71f23525]

Je ne pense pas non plus que la viscosité soit un frein à l'agitation thermique. Ce n'est pas comme si le solvant lui-même était visqueux, ici on reste toujours en milieu acqueux et ce sont les protéines qui provoque cette viscosité. Donc c'est la densité protéique qui augmente, mais il existe toujours des espaces entre les protéines donc plus l'agitation thermique est importante, plus le mouvement des protéines est intense. D'après moi ça favorise donc les interactions entre les protéines. Il y aura donc plus d'interactions entre les protéines au cours du temps, et leur déplacement se verra lui aussi augmenté. En plus l'agitation thermique n'a rien à voir avec la diffusion : lorsqu'on chauffe une tige de fer à une extrémité, il ne faut pas longtemps pour que l'autre extrémité deviennent brulante. La chaleur s'est déplacée par agitation thermique le long de la tige de fer, c'est plutôt un bousculement atomique.

Greg

[invitead282ff2]

Je ne pense pas non plus que la viscosité soit un frein à l'agitation thermique. Ce n'est pas comme si le solvant lui-même était visqueux, ici on reste toujours en milieu acqueux et ce sont les protéines qui provoque cette viscosité. Donc c'est la densité protéique qui augmente, mais il existe toujours des espaces entre les protéines donc plus l'agitation thermique est importante, plus le mouvement des protéines est intense. D'après moi ça favorise donc les interactions entre les protéines. Il y aura donc plus d'interactions entre les protéines au cours du temps, et leur déplacement se verra lui aussi augmenté. En plus l'agitation thermique n'a rien à voir avec la diffusion : lorsqu'on chauffe une tige de fer à une extrémité, il ne faut pas longtemps pour que l'autre extrémité deviennent brulante. La chaleur s'est déplacée par agitation thermique le long de la tige de fer, c'est plutôt un bousculement atomique.

Greg

Bonjour,

je dois mal connaitre ou comprendre ce que l'on regroupe sous le terme ''d'agitation thermique". Je pensais que l'on regroupait sous se terme les mouvements des molécules en solution qui augmente avec l'accroissement de la température.
Voilà pourquoi j'ai parler de diffusion et du problème de la densité au sein d'une cellule.
Néanmoins, certes en augmentant la concentration des protéines, tu augmentes bien évidemment les probabilités de rencontres enzyme-substrat... mais tu favorises aussi les interactions non désirées, favorisant agrégation et mauvais repliement.

La viscosité, que celle ci soit du à la concentration en protéine ou à l'ajout de glycérol est clairement un frein à la biochimie interne. C'est bien pour ca que je me demande parfois quel intêret il y a t il a caractériser des Km, Kcat, etc... en solution, sans tenir compte de ce "molecular crowding".
Bref, je m'excuse si j'ai mal compris la question, pas la peine de faire dériver le sujet d'avantage.


Pour en revenir à l'un des interrogation de Mecton, le seul exemple qui me vient en tête de systême empéchant les "réactions illégitimes" est la coopération entre les chaperons et les protéases du cytoplasme bactérien. L'action des chaperons tel que dnaJ/k, trigger factor, SecB, etc... limite que les protéines en cours de repliement avant/après synthèses ou export soient dégrader par les protéases du cytoplasme.
Je n'ai peut être pas répondu à ta question, mais, c'est la seule idée que j'avais sur le sujet...


Pour en revenir au problème de l'agitation thermique, je crois qu'il n'est pas évident de savoir qu'elle est son importance dans les mécanismes enzymatiques.
Certes, tu augmentes la température, donc, l'agitation thermique et les probabilités de rencontre entre molécule, ce qui augmente la vitesse des réactions. Sauf que l'augmentation thermique agit sur tout un tas d'autres paramètres physico-chimiques également...

Bon, je ne peux pas en dire beaucoup plus et j'atteint ici mes limites théoriques sur le sujet.

Morphine

[inviteaefe4c90]

Je n'ai pas trouver comment on peut exprimer cette agitation thermique en terme d'énergie. Et cette énergie doit être retrancher des énergies d'activation (Ea )? Où alors est elle pris en compte dans l'évaluation de l'Ea des réactions biochimique ? Je n'ai pas réussi à trouver un petit tableau des réaction biochimique de base et leur Ea....

En fait l`énergie de 2,5 kj/mol est l`énergie cinétique moyenne de molécules à 25 C. (Garrett, H. 2000). Cette valeur est un bon indice, selon moi, pour évaluer l`énergie maximal moyenne que pourrait avoir l`effet de l`agitation thermique sur les molécules et du travail qu`elles pourraient accomplirs.

Par contre je ne sais pas si les Ea tiennent comptes de cette énergie ambiante ni des condition expérimentale qu`elles sont obtenue.

[invitee1dec981]

Mes connaissances dans ce domaine sont assez limitées mais comme je réflechis souvent à ce probléme voila ce que je peux apporter: Je considére que le vivant se développe dans des températures tres encadrées : en haut , il ne faut pas que l'agitation thermique détruise les liaisons faibles . en bas il ne faut pas que le froid diminue trop les mouvements browniens et fasse tomber la probabilité de rencontre entre enzyme et substrat.
Si certains mettent en doute le rôle du hasard dans l'évolution du vivant et dans l'ontogénèse , au niveau de la cellule c'est grâce à l'agitation en tous sens des molécules et à la séléction des bonnes liaisons moléculaire que de l'ordre arrive à émerger. J'ajoute aussi qu'il faudrait considérer la cellule elle-meme et ses organites : noyau, golgi, Re, nuclèole comme des zones de confinement où la densité locale en molécule est suffisamment élevée pour que des rencontres se fassent.... les équations de cinétique enzymatique n'intègrent elle pas ce paramétre de concentration ?
Je n'avais pas pensé à la viscosité du milieu comme le rappelle Morphine, elle doit jouer un rôle important peut être en limitant les vitesses des réactions.
qu'en pensez vous ?

[invite217f3aaa]

qu'il faudrait considérer la cellule elle-meme et ses organites : noyau, golgi, Re, nuclèole comme des zones de confinement où la densité locale en molécule est suffisamment élevée pour que des rencontres se fassent

Ah merci d'avoir porté à l'attention ce "détail". De même on dit qu'il ne faut pas imaginer le cytosol comme un sac en enzyme et qu'il y a ( aurait ? ) une compartimentation dans l'espace et le temps des réactions. Mais encore une fois aucun détails n'était donnés... C'est parce que ces thèmes sont boudés des biologistes ou est ce qu'il s'agit d'un domaine encor peu connu ?

Si certains mettent en doute le rôle du hasard dans l'évolution du vivant et dans l'ontogénèse , au niveau de la cellule c'est grâce à l'agitation en tous sens des molécules et à la séléction des bonnes liaisons moléculaire que de l'ordre arrive à émerger.

Ah ça plus j'y pense plus je le vois partout ce couple hasard/selection, mais je n'avais pas vue cela au niveau moléculaire encore, merci.

Je n'avais pas pensé à la viscosité du milieu comme le rappelle Morphine, elle doit jouer un rôle important peut être en limitant les vitesses des réactions

Je ne pense pas que la viscosité soit un frein important à la diffusion, aux collisions de molécules ou ,en tout cas, je pense cette viscosité influe de façon beaucoup moins forte sur la probabilité de rencontre des bons partenaires moléculaire que ne le fait la viscosité.
Enfin je dis ça mais j'suis pas une référence dans ce domaine !
Cependant je sais qu'il existe des solutions solides. C'est çà dire des solutions qui échangent leurs ions, où la diffusion est tout à fait possible à la seule condition que la température soit assez forte. C'est pour cela que je ne pense pas que la viscosité soit un paramètre aussi important que la température quand on parle d'agitation moléculaire ( ou diffusion, je ne fais de différence là ).


Ah aussi l'ATP ne fournit que 30 kJ / mole ce qui veut dire que la plupart des réactions chimiques dans la cellules nécessitent une énergie inférieur à 30 kJ / mole de réaction. Ce qui est plutôt faible finalement...