Fiche de révision : Origine et briques du vivant

📋 Plan du Cours

1. Repères chronologiques du vivant
2. Définition et systèmes vivants
3. Compartimentation et évolution darwinienne
4. Évolution chimique et biologique
5. Structure et polymérisation des acides aminés
6. Sucres et polysaccharides
7. Bases azotées et appariement
8. Nucléosides et nucléotides
9. Acides nucléiques et monde ARN
10. Structure et rôle des acides gras
11. Conditions physico-chimiques de l’émergence
12. Hypothèses sur les lieux et origines chimiques
13. Chiralité et énantiomères
14. Homochiralité du vivant
15. Origines possibles de l’homochiralité

📖 1. Repères chronologiques du vivant

★ À maîtriser

• La Terre primitive s’est formée il y a 4,57 milliards d’années, les premiers fossiles datent d’environ 3,7 milliards d’années, les premières cellules d’environ 3,5 milliards d’années et les eucaryotes d’environ 1,5 milliard d’années.

• Lorsque la vie est apparue, le dioxygène était absent sur Terre ; la photosynthèse oxygénique a ensuite précédé le début de la vie aérobie.

Compléments

• Les grandes périodes représentées sont l’Hadéen, l’Archéen, le Protérozoïque et le Phanérozoïque, et l’échelle de temps du schéma n’est pas linéaire.

📖 2. Définition et systèmes vivants

🔑 Notions clés & Définitions

• Vie : Un système chimique auto-entretenu capable d’évolution darwinienne, selon la définition de la NASA (1994).
• Système : La partie du monde ou de l’univers qui fait l’objet d’un intérêt et dont l’extérieur permet des observations.

★ À maîtriser

📌 Un système ouvert échange matière et énergie avec l’extérieur, un système fermé échange de l’énergie mais pas de matière, et un système isolé n’échange ni matière ni énergie.

• Les êtres vivants sont des systèmes ouverts.

Compléments

• L’environnement est considéré comme constant en :

  • température
  • volume
  • pression

• L’énergie échangée entre un système et l’extérieur peut être transférée par le travail (W) ou par la chaleur (Q).

💡 Astuce mémo

Un système ouvert échange matière et énergie ; un système isolé n’échange ni l’une ni l’autre.

📖 3. Compartimentation et évolution darwinienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Compartimentation : La séparation d’un être vivant de l’environnement par une enveloppe qui délimite un compartiment distinct de l’extérieur.
• Métabolisme : L’ensemble des réactions (bio)chimiques réalisées en permanence par les entités vivantes.

★ À maîtriser

• Les variations entre individus d’une population peuvent modifier leurs caractéristiques selon l’environnement, être transmises à la génération suivante et favoriser un nombre supérieur de descendants. - Darwin

• L’évolution darwinienne suppose des informations transmissibles qui peuvent se modifier par des mutations et être héritées par les descendants, ce qui implique la reproduction ou la multiplication des entités vivantes.

Compléments

• Pour maintenir leur auto-entretien malgré la dégradation de leurs constituants, les êtres vivants les régénèrent grâce à des réactions chimiques nécessitant des transferts de matière et d’énergie avec l’extérieur.

📌 Le génotype correspond à l’information portée par la séquence d’ADN, tandis que le phénotype correspond aux caractéristiques de l’individu dont l’expression peut dépendre de l’environnement.

📌 La réplication doit être suffisamment fidèle pour conserver les caractéristiques, mais permettre aussi des modifications pour rendre possible l’évolution.

💡 Astuce mémo

Variations avantageuses héritées → davantage de descendants → propagation dans la population.

📖 4. Évolution chimique et biologique

🔑 Notions clés & Définitions

• LUCA : L’ancêtre commun le plus récent de toutes les espèces vivantes actuelles ; il était probablement complexe et doté d’un génome à base d’ADN.
• Petite molécule : Une molécule constituée d’atomes liés par des liaisons covalentes de manière à respecter la règle de l’octet ou du duet.
• Molécule organique simple : Une molécule simple construite autour d’un atome de carbone.
• Brique de la vie : Une molécule organique retrouvée dans les êtres vivants.

★ À maîtriser

• L’hypothèse présentée distingue deux temps : l’évolution chimique, qui conduit à une première protocellule autonome, puis l’évolution biologique, qui diversifie les êtres vivants.

• 🔄 L’évolution chimique suit la progression : des atomes aux petites molécules, des petites molécules aux molécules organiques, des molécules organiques aux briques de la vie, des briques de la vie aux macromolécules et polymères, des macromolécules et polymères aux protocellules

📌 Une macromolécule est un enchaînement de briques de même type formant une grande molécule, tandis qu’un assemblage supramoléculaire réunit plusieurs molécules par interactions intermoléculaires sans liaison covalente entre elles.

• Les trois domaines du vivant sont :
  • les bactéries
  • les archées
  • les eucaryotes

Compléments

• Les exemples d’assemblages supramoléculaires sont :
  • les ribosomes
  • les vésicules ou liposomes
  • la membrane plasmique

💡 Astuce mémo

Atomes → petites molécules → briques → macromolécules → protocellules.

📖 5. Structure et polymérisation des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide α-aminé : Une molécule organisée autour d’un carbone central appelé carbone α, auquel sont associés un hydrogène, un groupe carboxyle, une fonction amine et une fonction latérale variable R.

★ À maîtriser

• La polymérisation des acides aminés se fait par condensation entre la fonction carboxyle d’un acide aminé et la fonction amine d’un autre, avec élimination d’une molécule d’eau et formation d’une liaison peptidique covalente.

Compléments

📌 La réaction inverse de la condensation formant une liaison peptidique est l’hydrolyse.

• Un polypeptide est orienté avec une extrémité Nter portant une fonction amine libre et une extrémité Cter portant une fonction acide carboxylique libre.

• La réaction de Strecker est présentée comme une voie probable de production d’acides aminés à l’époque prébiotique, lesquels auraient pu former de courts oligopeptides.

• À l’époque prébiotique, la formation de longues protéines assurant durablement une fonction catalytique est jugée non envisageable, car les protéines ne peuvent pas se multiplier à l’identique.

📖 6. Sucres et polysaccharides

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycoprotéine : Une protéine à laquelle un sucre ou un oligosaccharide est lié à un acide aminé.

★ À maîtriser

• La formule brute générale d’un ose est $(CH_2O)_n$.

📌 Dans un ose, le groupe carbonyle est une fonction aldéhyde s’il se trouve sur un carbone terminal et une fonction cétone s’il se trouve sur un carbone central.

• Les polysaccharides peuvent être linéaires ou ramifiés ; la cellulose constitue les parois des cellules végétales, le glycogène stocke le glucose chez les animaux et l’amidon stocke le glucose chez les plantes.

Compléments

• Lors de la cyclisation du ribose, son aldéhyde réagit avec l’hydroxyle du carbone C4 pour former un hémi-acétal sans modifier la formule brute ; la forme représentée est le β-D-ribofuranose.

• La réaction de Formose est une suite de réactions autocatalytiques susceptible d’avoir produit différents types de sucres à l’époque prébiotique.

📖 7. Bases azotées et appariement

🔑 Notions clés & Définitions

• Base azotée : Un hétérocycle constitué notamment d’atomes de carbone et d’azote et portant différents groupes, tels que des cétones, des amines ou des hydroxyles.

★ À maîtriser

• Les cinq bases utilisées dans les nucléotides sont :
  • l’adénine
  • la thymine
  • l’uracile
  • la guanine
  • la cytosine

📌 Les purines, l’adénine et la guanine, ont deux cycles, tandis que les pyrimidines, la cytosine, l’uracile et la thymine, ont un seul cycle.

• Les bases azotées peuvent former des liaisons hydrogène entre elles, permettant l’appariement d’un acide nucléique avec un brin complémentaire.

• L’adénine forme deux liaisons hydrogène avec la thymine ou l’uracile, tandis que la guanine forme trois liaisons hydrogène avec la cytosine.

Compléments

• La capacité des bases à former des liaisons hydrogène est liée à leurs hétéroatomes d’azote ou d’oxygène, qui possèdent des doublets non liants et sont très électronégatifs.

📖 8. Nucléosides et nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Une base azotée associée à un ribose par une liaison N-glycosidique entre le C1’ du ribose cyclisé et un azote de la base.
• Nucléotide : Un nucléoside auquel un phosphate est ajouté au C5’ du ribose par une liaison phospho-ester.

★ À maîtriser

• La polymérisation des nucléotides condense l’hydroxyle du C3’ d’un ribose avec un groupe acide du phosphate en C5’ d’un autre nucléotide, avec élimination d’une molécule d’eau.

• La polymérisation des nucléotides forme d’abord une liaison phospho-ester P–O–C qui devient une liaison phospho-di-ester lorsque le phosphate est aussi lié à un autre ribose.

Compléments

• L’ajout d’autres phosphates par des liaisons phospho-anhydres permet de former des nucléotides diphosphates ou triphosphates.

📖 9. Acides nucléiques et monde ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• Désoxyribose : Un ribose dont l’hydroxyle en C2’ est remplacé par un atome d’hydrogène.

★ À maîtriser

• Les acides nucléiques sont orientés, avec une extrémité 5’ portant le plus souvent un ou plusieurs phosphates et une extrémité 3’ portant un hydroxyle libre.

📌 Les ribonucléotides seraient apparus avant les désoxyribonucléotides, même si les ribonucléotides et les ARN seraient apparus relativement tardivement en raison de leur complexité.

• La théorie du monde ARN propose que l’ARN ait précédé le monde ADN actuel, en portant l’information transmissible et en catalysant des réactions.

Compléments

• Le désoxyribose entre dans la composition de l’ADN.

• Les acides nucléiques peuvent se répliquer en fabriquant un brin complémentaire, et les propriétés catalytiques de l’ARN auraient contribué à la mise en place des premiers métabolismes.

💡 Astuce mémo

La réplication et la catalyse de l’ARN → multiplication et premiers métabolismes

📖 10. Structure et rôle des acides gras

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide gras : Possède à une extrémité un groupe acide carboxylique et une longue chaîne carbonée de plus de 5 atomes de carbone, ce qui le rend difficilement soluble dans l’eau.
• Molécule amphiphile : Possède une partie hydrophobe et une partie hydrophile.

📝 Points essentiels

• Les triglycérides et les glycérophospholipides sont formés d’acides gras liés covalemment à une molécule de glycérol par des liaisons ester entre un groupe acide carboxylique et un groupe hydroxyle.

• Des acides gras peuvent s’associer entre eux par des interactions non covalentes pour former des assemblages supramoléculaires.

• À l’époque prébiotique, les acides gras auraient pu être formés facilement par la réaction de Fischer-Tropsch et former les premiers compartiments avant l’apparition de lipides amphiphiles plus complexes.

💡 Astuce mémo

Tête hydrophile carboxylique, longue chaîne hydrophobe

📖 11. Conditions physico-chimiques de l’émergence

🔑 Notions clés & Définitions

• Paramètres physico-chimiques : Les conditions qui influencent la faisabilité des réactions et la probabilité d’émergence des premiers êtres vivants.

★ À maîtriser

• L’eau est considérée comme indispensable dans les hypothèses d’émergence de la vie, sauf pour la formation de petites molécules organiques qui aurait pu se dérouler dans l’atmosphère.

• L’étude de l’émergence de la vie doit considérer :

  • la disponibilité des précurseurs
  • les sources d’énergie
  • les concentrations moléculaires
  • les conditions redox
  • le pH

Compléments

• Les paramètres physico-chimiques à considérer comprennent :

  • la pression
  • la température
  • le pH
  • le potentiel redox
  • la concentration

• L’évaluation des réactions prébiotiques doit aussi prendre en compte :

  • les gradients de pH
  • la température
  • la pression
  • la vitesse des réactions
  • les processus de dégradation des molécules

📖 12. Hypothèses sur les lieux et origines chimiques

★ À maîtriser

• La serpentinisation dans les fumeurs blancs produit de l’hydrogène et peut conduire à la formation de méthane ; l’hydrogène peut réagir avec le dioxyde de carbone pour former de l’acétate utilisable comme précurseur des acides aminés.

📌 L’hypothèse extraterrestre propose un apport de molécules organiques par les météorites, sans déterminer le lieu où la vie serait apparue, et constitue une alternative non exclusive aux hypothèses de formation locale.

Compléments

• Les fumeurs blancs sont des cheminées hydrothermales au pH plutôt basique, constituées de serpentine microporeuse où des réactions peuvent se dérouler dans des micropores faisant office de mini-réacteurs.

• Des molécules organiques peuvent se former dans l’espace et sont présentes dans des météorites, dont les chutes fréquentes auraient pu apporter des acides gras, des sucres et des acides aminés à la Terre.

📖 13. Chiralité et énantiomères

🔑 Notions clés & Définitions

• Chiralité : La propriété de molécules pouvant exister sous deux formes non superposables, images l’une de l’autre dans un miroir, appelées énantiomères L et D.
• Carbone asymétrique : Un atome de carbone lié à quatre substituants différents et pouvant être responsable de la chiralité d’une molécule.

📝 Points essentiels

• Un carbone ayant deux substituants identiques ou moins de quatre substituants, notamment en raison d’une ou plusieurs doubles liaisons, ne peut pas être asymétrique ni être responsable de la chiralité de la molécule.

📖 14. Homochiralité du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Énantiospécificité : La propriété d’une enzyme de reconnaître un seul énantiomère d’un substrat chiral.
• Énantiosélectivité : La propriété d’une enzyme de produire un seul énantiomère lorsque le produit est chiral.

★ À maîtriser

• Dans les êtres vivants actuels, les sucres sont majoritairement de type D, mais certains sont de type L, et les protéines sont formées d’acides aminés de type L.

• L’homochiralité est considérée comme nécessaire parce que la coexistence des deux énantiomères d’acides aminés engendrerait une grande variété de structures protéiques, dont la majorité serait dépourvue de fonction et énergétiquement peu économe.

• Les enzymes qui synthétisent les acides aminés ne fabriquent que des acides aminés de type L, tandis que celles qui synthétisent les sucres ne fabriquent que des sucres de type D.

• Sans catalyseurs ni réactifs chiraux, les réactions chimiques produisent généralement les molécules chirales en mélange racémique, contenant 50 % de chaque énantiomère.

Compléments

• Un monde miroir est imaginable, avec des sucres de type L et des acides aminés de type D.

• Les êtres vivants actuels descendent d’un ancêtre commun et ont probablement hérité de son homochiralité, sans que cela implique qu’il ait été le seul ancêtre ayant existé.

• Un organisme dont certaines enzymes produiraient les énantiomères alternatifs serait défavorisé par rapport aux autres et rapidement éliminé par sélection naturelle.

• Des réactions nécessitant des catalyseurs chiraux peuvent être énantiosélectives et ne produire qu’un seul type d’énantiomère.

💡 Astuce mémo

Des enzymes énantiospécifiques et énantiosélectives → maintien de l’homochiralité

📖 15. Origines possibles de l’homochiralité

★ À maîtriser

📌 Selon la première hypothèse, l’homochiralité apparaît avant la transition chimie-biologie à partir d’un mélange racémique par brisure de symétrie et formation d’un excès énantiomérique, tandis que, selon la seconde, elle apparaît après cette transition par sélection de systèmes vivants aux propriétés stéréosélectives.

Compléments

• La première hypothèse associe l’excès d’acides aminés L et de sucres D à des fluctuations de concentration d’un énantiomère dans un mélange racémique.

• La synthèse de molécules dans l’espace est biaisée en faveur d’un énantiomère, et les molécules trouvées dans les météorites ne sont pas présentes sous forme racémique.

• La seconde hypothèse propose que la vie homochirale se soit développée dans un environnement où les molécules chirales étaient présentes sous forme racémique et où aucun énantiomère ne dominait.

💡 Astuce mémo

Avant la transition : excès énantiomérique ; après : sélection par le vivant

📊 Tableaux de synthèse

Deux hypothèses sur l’origine de l’homochiralité