Catégorie : Biochimie

Je vous avais promis un petit article sur les états d’oxydation concept clé pour comprendre la machinerie de notre corps que vous pourrez appliquer aussi bien à l’échelle atomique qu’à l’échelle cellulaire…

Petit rappel avant de commencer :

1/ Pour calculer les électrons de valence c’est à dire les électrons sur la dernière couche, on se base toujours sur le gaz noble antérieur dans le tableau périodique.

2/ Par contre pour calculer les ions monoatomiques on se base sur le gaz noble dit méta-stable le plus proche.

3/ Pour les métaux en transition on peut se baser sur le tableau périodique quantique et sur la fonction orbitale ce qui n’est pas possible sur le tableau périodique classique. On doit aussi remplir le tableau, l’élément selon la méthode de Kuchlowski pour déterminer la configuration électronique complète du métal en transition. Voir mon article sur le tableau périodique quantique

Antoine de Lavoisier a inventé le terme d’oxydation pour décrire l’effet des atomes d’oxygène sur l’atome central d’un composé tel qu’un oxyde, un hydrate, un acide, ou bien un composé ionique ou covalent.

Antoine de Lavoisier 1743-1790

Ne représente pas la charge ionique mais permet de faire des prédictions d’un composé.

On calcule les états d’oxydation de chaque atome dans une molécule par une échelle d’électronégativité. Comme je l’ai déjà expliqué dans le tableau périodique quantique l’électronégativité est la force attractive de l’atome sur ses électrons lors de la liaison chimique avec une autre espèce.

Chaque atome à une électronégativité déjà calculée en chimie, il s’agit de l’échelle de Pauling :

voici un tableau périodique de l’électronégativité. Concrètement à partir d’une structure de Lewis, on va pouvoir replier les liaisons atomiques de deux espèces en fonction de l’atome qui a l’électronégativité la plus forte :

Linus Pauling 1940-1970

Cet article wikipedia résumé en anglais est bien fait : Etat d’oxydation

Il a été travaillé spécialement pour cet article.

Pour chaque atome il faut toujours se reporter à l’échelle de Pauling pour comprendre son OS. Cela va vous demander beaucoup d’attention et de pratique pour vérifier les états de l’oxydation marqués en rouge dans l’article mais c’est un bon exercice.

Règles de base pour comprendre :

L’hydrogène perd un électron quand l’oxygène en gagne deux. Les états sont calculés par un nombre propre appelé OS état d’oxydation. Les transferts ou non transferts d’électrons sont marqués par un trait supplémentaire en rouge. (Parfois on replie la liaison) (Parfois on ne la compte pas, exemple O-O) Connaitre le nombre d’électrons sur la couche externe est important. La plupart du temps la molécule est neutre, l’oxydation s’équilibre pour un composé.

L’oxydation pour notre corps

Passons à la suite, en général le suffixe -ate désigne les composés ont plus de 2 atomes d’oxygène.

Exemple prenez une bouteille d’Evian :

vous allez trouver des sulfates, des nitrates, et des bicarbonates de formules respectives : NO3-, SO4²- et HCO3-. Dans le cas présent ces composés sont des anions dont les atomes centraux sont oxydés, ils ont charge négative. Heureusement vous avez des minéraux tels que le Magnésium et le Sodium cations qui viennent équilibrer dans la bouteille.

La règle générale dans la nature du corps humain veut que plus l’on respire, plus un composé est soumis à l’oxygène plus il vieillit, il s’oxyde.

Pour résumer : La réduction est l’inverse de l’oxydation. Lorsque qu’un atome perd des électrons il s’oxyde car les protons de charge positive ou + prennent le dessus en nombre. Quand un atome gagne des électrons il se réduit car la charge négative prend le dessus.

Dans l’appareil cérébral humain la charge négative correspond à l’état de repos alors que la charge positive correspond à l’influx nerveux libéré donc à un potentiel positif et à un état de réflexion.

Respiration cellulaire

Que se passe-t-il lorsque vous mangez, imaginons que vous mangiez un aliment qui contient des glucides, ou plus précisément du glucose (carbohydrates) qui est essentiel pour la vie des métabolites telles que nos mitochondries qui sont l’usine énergétique de nos cellules neuronales.

La glycolyse a lieu ce qui entraine tout d’abord un léger effet d’oxydoréduction calorique(chaleur), le sucre est ingéré digéré par le glycogène et l’action de l’acide pyruvique puis redistribué par le foie ainsi se produit une phosphorylation oxydative c’est à dire que par le mécanisme que j’ai déjà expliqué dans mon article sur l’influx nerveux : l’adénosine diphosphate va se transformer and adénosine triphosphate ce qui correspond au phénomène de respiration cellulaire.

Il va y avoir une différence de concentration ioniques entre les ions sodium et potassium de part et d’autre de la membrane cytoplasmique ce qui va libérer un potentiel électrique par la mise sous tension de l’enzyme d’ATP Synthase qui est un biocatalyseur de nature protéique. Après perméabilisation de la membrane cela va declencher la valeur seuil, puis va générer votre influx nerveux.

Dérivés Réactifs de l’Oxygène et Radicaux Libres

Nos mitochondries vont rejeter ce qu’on appelle des Dérivés Réactifs de l’Oxygène, dont font partie les radicaux libres.

Si ces Dérivés réactifs (peroxyde, ions oxygénés) sont importants dans le système immunitaire pour lutter contre des agents pathogènes ils peuvent être très nocifs en particulier les radicaux libres de par leur nature électronique (couche de valence non appareillé correctement).

Il faut à tout prix éviter une réaction en chaîne c’est à dire qu’un électron qui s’est libéré crée un autre radical et ainsi de suite et forme des bi ou tri radicaux. c’est la principal cause du vieillissement cellulaire.

Pour lutter contre ce vieillissement cellulaire, vous pouvez prendre des anti-oxydants tels que des vitamines ou des oligo-éléments, des polyphénols mais il existe aussi des enzymes spéciales telles que le superoxyde dismutase, ou le glutathion peroxydase qui peuvent empêcher les cellules de muter.

Il y’a d’autres enzymes génétiques cette fois qui permettent de lutter contre le vieillissement et j’en parlerai dans un prochain article sur les différents Acide Ribonucléiques, dits ARN il s’agit de la Télomérase.

Sources : J’ai travaillé avec Wikipédia, les livres de secondes, première, terminale de physique chimie du lycée, une table périodique dans un dictionnaire papier mais en prime je vous offre la possibilité de consulter le dictionnaire de l’académie de pharmacie car ces professionnels sont formés pour avoir certaines connaissances quant à la fabrication des médicaments par les laboratoires, il n’est pas exhaustif mais vous trouverez tous les isomères dont vous avez besoin.

Depuis longtemps je souhaitais faire un article qui explique comment les molécules sont représentés

Qu’est qu’un cycle?

Toute forme moléculaire représentant un hexagone fermé est un cycle, par exemple le carbone lié par des liaisons covalentes comme ceci en est un.

Une molécule est une liaison d’atomes. Chaque sommet de l’hexagone représente un atome de carbone s’il n’y a pas d’autre dénomination symboles du tableau périodique ou composé moléculaire. (Un cadeau pour celui qui cliquera 3 fois sur les trois liens hexagone : hexagone , hexagone).

Sur ce cycle on voit un hexagone de 6 atomes de carbones en noirs liées chacun à 6 atomes d’oxygènes en périphérie.

Exemple de cycle : la Mésomérie du benzène

Un rond dans un cycle permet d’aborder Cycle avec des liaisons doubles supplémentaires positionnables à n’importe quel endroit de l’espace. On parle aussi de résonance.

Sur les encyclopédies en ligne : vous trouverez beaucoup de molécules représentés sous forme d’hexagone ou de pentagone, l’hexagone est le cycle (dans lequel l’oxydation et l’entropie sont diminuées.)

Le pentagone quant à lui est le sucre, ou aussi appelé « ose » composant de la chimie organique essentiel à la nature et à l’humanité (réplication de l’ADN (ribose, désoxyribose) glycoprotéine, glycolyse, métabolise l’énergie au sein des mitochondries dans tout les corps cellulaires.

On peut noter que cela facilite la mémoire visuelle et la mémoire des formes.

La représentation de CRAM

Il existe plusieurs représentations dans le plan et son espace, certaines molécules peuvent être situées en arrière ou d’autre en avant du plan.

Un trait simple indique une liaison dans le plan.

Un trait plein en forme de triangle de la liaison entre le carbone et l’hydrogène indique une liaison entre les deux atomes légèrement en avant du plan et les triangles en pointillés indique une liaison en arrière du plan.

Cela permet de représenter les molécules dans une fausse 3D et laisse place à notre pensée visuelle et à notre perception spatiale.

Des représentations en 2D volumétrique et une couleur pour chaque atome sont aussi efficaces, l’oxygène en rouge, en violet le nitrogène, en blanc l’hydrogène, en gris/noir pour le carbone.

La projection de Haworth

Dans le plan les traits les plus épais indiquent une position spatiale plus proche par rapport au lecteur, un trait plus fin au contraire une distance proximale plus éloignée.

La projection Haworth est un moyen simple de représenter une molécule de sucre (ose)

On remarque que c’est par l’atome d’oxygène O du composé OH que la liaison se fait.

Ou bien par l’atome de Carbone du composé CH2OH.

La projection de Fischer

Dans la projection de Fischer la place centrale est réservée au carbone, c’est le squelette ou l’armature de la représentation.

La Formule brute

Ex : C₂H₆O  

Indispensable mais reprend pour ainsi dire les lettres des éléments du tableau périodique avec une valeur numérique qui définit le nombre d’atomes, d’anion ou de cation de chaque composé moléculaire. Il s’agit toujours de regarder la formule brute en premier lieu.

Je complète cet article pour vous montrer comment deviner le nom d’une molécule à partir de sa formule brute, en effet c’est un bon exercice pour travailler votre intelligence.

Petit exercice ludique :

Prenons le cas CaCO3 :

Vous reconnaissez immédiatement le calcium si vous connaissez votre tableau périodique, ensuite vous reconnaissez le Carbone et je vous donne un petit indice, ce carbone est oxydé, et en chimie tout ce qui est oxydé et qui a en général plus de deux atomes d’oxygène se finit par le suffixe -ate qui est péjoratif.

Vous commencez par la fin : Carbonate de Calcium.

Formule développée plane : représente toutes les liaisons en détail, couteux en termes de temps et rébarbatif, à utiliser au début lorsque l’on débute en chimie.

Formule Semi-Développée :

Ne représente que certaines liaisons de composés moléculaires peut s’exprimer orthogonalement (des deux côtés) voir mon article sur l’influx nerveux.

Formule développée

Permet de représenter la formule dans l’espace, en 2 ou 3 dimensions ce qui est très pratique pour différencier les isomères. Un isomère étant comme son nom l’indique des molécules qui ont la même formule brute.

Mettre en avant des atomes liés particuliers, l’exemple de la xanthine :

Voici la formule de la Xanthine, les sommets qui ne sont pas représentés sont des atomes de carbone. A partir d’une formule brute on peut compléter cette représentation.

Vous remarquerez que les atomes d’azote du composé NH appelées en anglais Nitrogène sont mis en avant par rapport à son atome d’hydrogène pour bien montrer le nitrogène est lié 2 ou même 3 fois à chaque fois.

La structure de Lewis

La structure de Lewis permet de représenter pour chaque atome. Les électrons sur la dernière couche externe ainsi que les électrons de valence et j’en ai déjà parlé sur mon article du tableau périodique, ce sont les électrons qui participent à la liaison chimique lors de liaisons covalentes.

Malgré ses limites formelles, la représentation de Lewis est très utilisée en chimie organique pour préparer les mécanismes réactionnels.

Au niveau de l’atome :

Lewis est utilisé soit au niveau de l’atome en lui-même soit à un degré plus haut au niveau de la molécule. Commençons par l’atome, par une simple lecture du tableau périodique (voir mon article) vous pouvez savoir combien d’électrons sont sur la couche externe.

On sait qu’un atome de nitrogène a un numéro atomique de 7 donc sur ses 2 couches : K2 L5.

A partir du moment ou un atome a plus de quatre électrons sur sa couche externe on lie les électrons par deux sous forme d’un trait. (Doublet non liant). Un doublet est stable alors qu’un électron célibataire est réactif.

L’atome de soufre qu’on verra plus loin au niveau de la molécule a 6 électrons sur sa dernière couche et peut avoir 2, 4, ou 6 électrons de valence donc on peut faire 3 doublets non liants.

Nous allons voir par la suite que la structure de Lewis est très utile pour calculer les états d’oxydation.

Au niveau de la molécule :

1/Acide Sulfurique  

La formule de Lewis au niveau de la molécule a l’avantage de montrer les doublets non liants c’est à dire les électrons sur la dernière couche qui ne participent pas à la liaison chimique.

Partons de la formule brute du pour notre première molécule c’est-à-dire l’acide Sulfurique (Soufre) :      

Formule brute : H2 S O4 : 2 atomes d’Hydrogène 1 atome de Souffre et 4 atomes d’Oxygène

On sait qu’un atome de souffre qui est l’atome clé de notre composant a un numéro atomique de 16 dans le tableau périodique soit un nombre de charges (nombres de protons (+) et d’électrons (-) de 16 (Je rappelle que l’atome est neutre) 

 Donc sur les 3 couches :

 K L M (la règle du duet (2) sur la couche K s’applique sur la première couche,

La règle de l’octet (8) L sur la deuxième couche

La configuration électronique de la 3ème couche M est donc de 16-8-2 = 6

On doit donc respecter 6 liaisons pour l’atome de Soufre.

On a dû casser les doublets non liants de l’atome de souffre ce qui veut dire que cette représentation au niveau atomique et on remarque à chaque fois 2 doublets non liants soit 4 électrons pour l’oxygène.

L’Oxygène à un numéro atomique de 8 donc on a 2 électrons sur la couche K et 6 sur la couche L donc 6 électrons de valence également alors qu’il n’a que deux couches.

2/ Composé organique(Carbone)

Molécule d’Ethanol

Un atome de carbone peut avoir 2 ou 4 électrons de valence, un atome d’hydrogène a 1 électron de valence. Un atome d’oxygène en a 2 mais a 6 atomes sur sa dernière couche donc il aura deux doublets non liant.

3/ Composé ionique

Ion Positif dans la structure de Lewis.

Ici le composé moléculaire est formé de 3 atomes d’hydrogène avec un seul électron de valence sur la couche K (1) et pour l’oxygène on a 6 électrons sur la dernière couche K (2) L (6).

On voit qu’il a déjà 3 liaisons électroniques avec des atomes d’hydrogène.  Un doublet non liant plein et un doublet non liant vide (ou cassé).

Ce doublet non liant vide représenté en blanc veut dire qu’un électron s’est libéré pour transformer l’atome d’oxygène en ion positif.

Enfin pour finir je vous parlerai de chimie organique et donc notamment de la chimie du carbone, d’azote aussi appelé nitrogène, de chlore et de brome. par opposition à la chimie des minéraux.

Les notations internationales chimiques

Il existe des notations qui permettent de mieux comprendre comment s’agencent les molécules sur le plan atomique.

Vous trouverez dans la version Anglaise de Wikipédia bien plus riche en termes de contenu que la version française quant à la terminologie de ces nomenclatures.

Je compléterai cet article car elles obéissent à des règles complexes qui ont notamment été établies par l’union internationale pure de chimie appliquée (IUPAC), je pense notamment à la forme structurale.

Enfin pour finir voici une petite liste des logiciels que vous pouvez utiliser sur ordinateur pour représenter des molécules :

PubChem 3D Viewer ; MolView ; ChemSpider; WebQC 3D Molecular Viewer; Avogadro 2; Jmol / JSmol ; Materials Project; RCSB PDB Mol.