Réactions chimiques |Biologie pour les majors I (2024)

Comprendre les réactions chimiques de base

Dans ce résultat, nous discuterons des liaisons chimiques et des réactions.

Objectifs d'apprentissage

  • Identifier les composants des réactions chimiques simples
  • Différencier les réactions cataboliques et anaboliques
  • Identifier les enzymes et leur rôle dans les réactions chimiques

Réactions chimiques et molécules

Tous les éléments sont les plus stables lorsque leur coquille la plus externe est remplie d'électrons selon la règle des octets.En effet, il est énergiquement favorable pour que les atomes soient dans cette configuration et les rend stables.Cependant, comme tous les éléments n'ont pas suffisamment d'électrons pour remplir leurs coquilles les plus externes, les atomes se formentliaisons chimiquesavec d'autres atomes obtenant ainsi les électrons, ils ont besoin pour atteindre une configuration d'électrons stable.Lorsque deux atomes ou plus se lient chimiquement entre eux, la structure chimique résultante est une molécule.La molécule d'eau familière, h2O, se compose de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène;Ceux-ci se lient ensemble pour former de l'eau, comme illustré dans la figure 1. Les atomes peuvent former des molécules en donnant, en acceptant ou en partageant des électrons pour remplir leurs coquilles extérieures.

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Figure 1. Deux atomes ou plus peuvent se lier entre eux pour former une molécule.Lorsque deux hydrogènes et un oxygène partagent des électrons via des liaisons covalentes, une molécule d'eau est formée.

Réactions chimiquesse produisent lorsque deux atomes ou plus se lient ensemble pour former des molécules ou lorsque les atomes liés sont brisés.Les substances utilisées au début d'une réaction chimique sont appelées leréactifs(généralement trouvé sur le côté gauche d'une équation chimique), et les substances trouvées à la fin de la réaction sont connues sous le nomdes produits(généralement trouvé sur le côté droit d'une équation chimique).Une flèche est généralement dessinée entre les réactifs et les produits pour indiquer la direction de la réaction chimique;Cette direction n'est pas toujours une «rue à sens unique».Pour la création de la molécule d'eau montrée ci-dessus, l'équation chimique serait:

2H + O → H2O

Un exemple de réaction chimique simple est la rupture des molécules de peroxyde d'hydrogène, chacune se compose de deux atomes d'hydrogène liés à deux atomes d'oxygène (H2O2).Le peroxyde d'hydrogène réactif est décomposé en eau, contenant un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène (H2O), et l'oxygène, qui se compose de deux atomes d'oxygène liés (o2).Dans l'équation ci-dessous, la réaction comprend deux molécules de peroxyde d'hydrogène et deux molécules d'eau.Ceci est un exemple deéquation chimique équilibrée, dans lequel le nombre d'atomes de chaque élément est le même de chaque côté de l'équation.Selon la loi de conservation de la matière, le nombre d'atomes avant et après une réaction chimique devrait être égal, de sorte qu'aucun atome ne soit, dans des circonstances normales, créé ou détruit.

H2O2(peroxyde d'hydrogène) → H2O (eau) + o2(oxygène)

Même si tous les réactifs et produits de cette réaction sont des molécules (chaque atome reste lié à au moins un autre atome), dans cette réaction, seul le peroxyde d'hydrogène et l'eau sont représentatifs d'une sous-classe de molécules appeléescomposés: Ils contiennent des atomes de plus d'un type d'élément.L'oxygène moléculaire, en revanche, comme le montre la figure 2, se compose de deux atomes d'oxygène doublement liés et n'est pas classé comme un composé mais comme un élément.

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Figure 2. Les atomes d'oxygène dans un O2La molécule est rejointe par une double liaison.

Certaines réactions chimiques, comme celle montrée ci-dessus, peuvent se dérouler dans une direction jusqu'à ce que les réactifs soient tous utilisés.Les équations qui décrivent ces réactions contiennent une flèche unidirectionnelle et sontirréversible.Réactions réversiblessont ceux qui peuvent aller dans les deux sens.Dans les réactions réversibles, les réactifs sont transformés en produits, mais lorsque la concentration du produit va au-delà d'un certain seuil (caractéristique de la réaction particulière), certains de ces produits seront transmis en réactifs;À ce stade, les désignations de produits et de réactifs sont inversées.Ce va-et-vient se poursuit jusqu'à ce qu'un certain équilibre relatif entre les réactifs et les produits se produise - un état appelééquilibre.Ces situations de réactions réversibles sont souvent indiquées par une équation chimique avec une flèche à double tête pointant vers les réactifs et les produits.

Par exemple, dans le sang humain, les ions hydrogène en excès (h+) se lier aux ions bicarbonate (HCO3-) formant un état d'équilibre avec de l'acide carbonique (h2CO3).Si l'acide carbonique était ajouté à ce système, une partie serait convertie en bicarbonate et en ions hydrogène.

HCO3-+ H+↔h2CO3

Dans les réactions biologiques, cependant, l'équilibre est rarement obtenu parce que les concentrations des réactifs ou des produits ou les deux changent constamment, souvent avec un produit d'une réaction étant un réactif pour un autre.Pour revenir à l'exemple des ions hydrogène en excès dans le sang, la formation de l'acide carbonique sera la direction principale de la réaction.Cependant, l'acide carbonique peut également laisser le corps sous forme de gaz de dioxyde de carbone (via l'expiration) au lieu d'être converti en ion bicarbonate, entraînant ainsi la réaction à droite par la loi chimique connue sous le nom deLoi de l'action de masse.Ces réactions sont importantes pour maintenir l'homéostasie de notre sang.

CO3↔ CO2+ H2O

Voies anaboliques et cataboliques

Les voies anaboliques nécessitent une entrée d'énergie pour synthétiser des molécules complexes à des molécules plus simples.Synthétisant le sucre de CO2est un exemple.D'autres exemples sont la synthèse de grandes protéines des blocs de construction d'acides aminés et la synthèse de nouveaux brins d'ADN à partir de blocs de construction d'acide nucléique.Ces processus biosynthétiques sont essentiels à la vie de la cellule, se déroulent constamment et exigent l'énergie fournis par l'ATP et d'autres molécules à haute énergie comme le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) et NADPH (figure 3).

L'ATP est une molécule importante que les cellules doivent avoir une alimentation suffisante à tout moment.La dégradation des sucres illustre comment une seule molécule de glucose peut stocker suffisamment d'énergie pour faire beaucoup d'ATP, 36 à 38 molécules.Il s'agit d'une voie catabolique.Les voies cataboliques impliquent la dégradation (ou la rupture) des molécules complexes en plus simples.L'énergie moléculaire stockée dans les liaisons des molécules complexes est libérée dans les voies cataboliques et récoltée de telle manière qu'elle peut être utilisée pour produire de l'ATP.D'autres molécules de stockage d'énergie, telles que les graisses, sont également décomposées à travers des réactions cataboliques similaires pour libérer l'énergie et fabriquer l'ATP (figure 3).

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Figure 3. Les voies anaboliques sont celles qui nécessitent de l'énergie pour synthétiser des molécules plus grandes.Les voies cataboliques sont celles qui génèrent de l'énergie en décomposant des molécules plus grandes.Les deux types de voies sont nécessaires pour maintenir le bilan énergétique de la cellule.

Il est important de savoir que les réactions chimiques des voies métaboliques ne se déroulent pas spontanément.Chaque étape de réaction est facilitée ou catalysée par une protéine appelée enzyme.Les enzymes sont importantes pour catalyser tous les types de réactions biologiques - celles qui nécessitent de l'énergie ainsi que celles qui libèrent l'énergie.

Enzymes

Les enzymes sont des protéines qui ont la capacité de se lier au substrat dans leur site actif, puis modifient chimiquement le substrat lié, en le convertissant en une molécule différente - laproduitde la réaction.Substratsse lier aux enzymes, tout comme les ligands se lient aux protéines.Cependant, lorsque les substrats se lient aux enzymes, ils subissent un changement chimique induit par l'enzyme et sont convertis en produits.

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Figure 4. Comparez l'interaction protéine-ligand à l'interaction enzymatique-substrat.Notez que les protéines de liaison et les enzymes ont des sites de liaison pour leurs ligands (L) et leurs substrats, respectivement.Cette zone de l'enzyme est appelée site actif car elle contient également des acides aminés qui sont importants pour la conversion du substrat en produit.

Le substrat se lie à l'enzyme en interagissant avec les acides aminés dans lesite de liaison.Le site de liaison sur les enzymes est souvent appelésite actifcar il contient des acides aminés qui lient à la fois le substrat et aident à sa conversion en produit.

Vous pouvez souvent reconnaître qu'une protéine est une enzyme par son nom.De nombreux noms d'enzymes se terminent avec -ASE.Par exemple, l'enzyme lactase est utilisée pour décomposer le lactose de sucre, trouvé dans le lait de mammifère.D'autres enzymes sont connues sous un nom commun, comme la pepsine, qui est une enzyme qui aide à la digestion des protéines dans votre estomac en cassant les liaisons peptidiques dans les protéines.

Les enzymes sont des catalyseurs, ce qui signifie qu'ils font une réaction plus rapide, mais les enzymes elles-mêmes ne sont pas modifiées par la réaction globale.Examinez cette image pour voir comment fonctionnent les enzymes.

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Figure 5. Réaction enzymatique simplifiée.Le substrat se lie de manière réversible au site actif de l'enzyme, formant le complexe enzymatique-substrat (ES).Le substrat lié est converti en produit par des groupes catalytiques dans le site actif, formant le complexe enzymatique-produit (EP).Les produits liés sont libérés, renvoyant l'enzyme à sa forme non liée, prêt à catalyser une autre série de substrat de conversion en produit.

Les acides aminés du site actif des enzymes jouent deux rôles, et parfois ces rôles se chevauchent.Certains des acides aminés du site actif sont responsables de la liaison du substrat et d'autres sont chargés de faciliter la réaction chimique.Les enzymes sont généralement assez spécifiques à leurs substrats.Bien que la lactase et la pepsine catalysent toutes deux le même type de réaction, la rupture d'une liaison à l'aide de l'eau (hydrolyse: «hydro» signifie «eau» et «lyse» signifie «casser»), la lactase ne fonctionne que lorsque le lactose est son substrat et la pepsine ne peut que briser les liaisons peptidiques.

Question de pratique

Deux substrats - le lactose et une protéine courte - sont montrés à gauche.Deux enzymes sont présentées à droite, marquées A et B. Laquelle des deux enzymes est la lactase?

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Montrer la réponse

Comment fonctionnent les enzymes

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Figure 6. Diagramme d'une réaction catalytique montrant la différence d'énergie d'activation dans la réaction non catalysée et catalysée.L'enzyme réduit la barrière énergétique requise pour activer le substrat, permettant à plus de substrats d'être activés, ce qui augmente le taux de formation de produits.Notez que la différence d'énergie entre le substrat et le produit n'est pas modifiée par l'enzyme.

Dans toutes les réactions chimiques, il y a une première entrée d'énergie qui est nécessaire avant que la réaction puisse se produire.Si cette nécessité d'énergie initiale (appelée énergie d'activation ou barrière d'énergie) est petite, la réaction se produira rapidement et facilement.Si l'énergie d'activation est grande, la réaction prendra plus de temps pour se produire.Les enzymes fonctionnent pour réduire l'énergie d'activation requise pour qu'une réaction chimique se produise.

Premièrement, l'enzyme se lie au substrat et déforme légèrement sa forme.Le changement de forme active la molécule du substrat et diminue l'énergie d'activation totale requise pour que le substrat soit transformé en produit.À mesure que le nombre de molécules de substrat activés augmente, la conversion du substrat en produit en fait également.Une analogie pour cet effet est une colline de ski, avec des skieurs au bas d'un côté de la colline représentant des substrats, des skieurs en haut de la colline représentant des substrats activés et les produits étant le nombre de skieurs qui skient de l'autre côté.Si la hauteur de la colline est abaissée (en raison de la présence de l'enzyme), alors plus de skieurs peuvent atteindre le sommet, augmentant le nombre qui skie pour devenir des produits.

Questions de pratique

Remplissez le blanc: lorsqu'une enzyme catalyse une réaction, ________.

  1. Il augmente l'énergie d'activation de la réaction.
  2. Il est utilisé une fois et jeté.
  3. cela devient un produit.
  4. Il agit comme un réactif.
  5. Il réduit l'énergie d'activation de la réaction.

Montrer la réponse

Qu'arrivera-t-il à la vitesse à laquelle une réaction chimique se déroule si l'énergie d'activation est augmentée?

  1. La réaction se produira plus rapidement (à un rythme plus élevé).
  2. La réaction se produira plus lentement (à un rythme inférieur).
  3. La vitesse de réaction ne changera pas.

Montrez les réponses

En résumé: réactions chimiques

La coquille d'électrons externe dicte à quel point la forme et le type de liaisons chimiques se forment un atome particulier.La formation de composés est souvent visuellement décrite dans des équations chimiques qui montrent les réactifs participant à des réactions chimiques pour former des produits.

Les voies anaboliques assemblent de grandes molécules en forment des plus petites.Les voies cataboliques divisent les grandes molécules en petit* morceaux.

Les enzymes sont des protéines qui accélèrent les réactions en réduisant l'énergie d'activation.Chaque enzyme ne lie généralement qu'un seul substrat.Les enzymes ne sont pas consommées lors d'une réaction;Au lieu de cela, ils sont disponibles pour lier de nouveaux substrats et catalyser à plusieurs reprises la même réaction.

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