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W2017_Lecture_02_reading - Biologie


Modèles et hypothèses simplificatrices

Créer des modèles de choses réelles

La vie est compliquée. Un aphorisme commun déclare : Tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles. Les modèles se présentent sous diverses formes qui incluent, sans s'y limiter :

Types de modèles

  • Modèles physiques - ce sont des objets 3D que nous pouvons toucher.
  • Dessins - ceux-ci peuvent être sur papier ou sur ordinateur et en 2D ou en 3D virtuel. On les regarde surtout.
  • Modèles mathématiques - ceux-ci décrivent quelque chose dans la vie réelle en termes mathématiques. Nous les utilisons pour calculer le comportement de la chose ou du processus que nous voulons comprendre.
  • Modèles verbaux ou écrits - ces modèles sont communiqués en langage écrit ou parlé.
  • Modèles mentaux - ces modèles sont construits dans notre esprit et nous les utilisons pour créer les autres types de modèles et pour comprendre les choses qui nous entourent.

Hypothèses simplificatrices


Habituellement, dans la science comme dans la vie de tous les jours, les modèles simples sont préférés aux modèles complexes. Créer des modèles simples de choses réelles complexes nous oblige à faire ce que l'on appelle hypothèses simplificatrices. Comme leur nom l'indique, hypothèses simplificatrices sont des hypothèses qui sont incluses dans le modèle pour simplifier l'analyse autant que possible. Lorsqu'un modèle simplifié ne prédit plus le comportement de l'objet réel dans des limites acceptables, trop d'hypothèses simplificatrices ont été formulées. Lorsque peu de valeur prédictive est obtenue en ajoutant plus de détails à un modèle, il est probablement trop complexe. Examinons différents types de modèles de différentes disciplines et soulignons leurs hypothèses simplificatrices.

Un exemple de physique : Un bloc sur un plan sans frottement

Un dessin au trait qui modélise un bloc (de n'importe quel matériau) assis sur un plan incliné générique. Dans cet exemple certains simplifier hypothèses sont faits. Par exemple, les détails des matériaux du bloc et du plan sont ignorés. Souvent, nous pourrions aussi, par commodité, supposer que l'avion est sans friction. Les hypothèses simplificatrices permettre à l'élève de s'exercer à réfléchir à la façon d'équilibrer les forces agissant sur le bloc lorsqu'il est élevé dans un champ de gravité et que la surface sur laquelle il repose n'est pas perpendiculaire au vecteur de gravité (mg). Cela simplifie les mathématiques et permet à l'étudiant de se concentrer sur la géométrie du modèle et sur la façon de la représenter mathématiquement. Le modèle et ses hypothèses simplificatrices, pourrait faire un assez bon travail pour prédire le comportement d'un glaçon glissant sur un plan incliné en verre, mais ferait probablement un mauvais travail pour prédire le comportement d'une éponge humide sur un plan incliné recouvert de papier de verre. Le modèle serait trop simplifié pour ce dernier scénario.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

Un exemple de biologie : un diagramme en ruban d'une protéine - La protéine transmembranaire bactériorhodopsine

Ceci est un modèle de bande dessinée de la bactériorhodopsine protéine transmembranaire. La protéine est représentée par un ruban bleu clair et violet (les différentes couleurs mettent en évidence l'hélice alpha et la feuille bêta, respectivement), un ion chlorure est représenté par une sphère jaune, les sphères rouges représentent les molécules d'eau, les boules et bâtonnets roses représentent une rétine molécule située à "l'intérieur" de la protéine, et les boules et bâtonnets oranges représentent d'autres molécules lipidiques situées sur la surface "extérieure" de la protéine. Le modèle est affiché dans deux vues. Sur la gauche, le modèle est visualisé "côté sur" tandis qu'à droite, il est visualisé le long de son axe long depuis le côté extracellulaire de la protéine (rotation de 90 degrés hors de la page par rapport à la vue de gauche). Ce modèle simplifie de nombreux détails au niveau atomique de la protéine. Il ne parvient pas non plus à représenter la dynamique de la protéine. Les hypothèses simplificatrices signifient que le modèle ne ferait pas un bon travail pour prédire le temps qu'il faut à la protéine pour faire son travail ou combien de protons peuvent être transportés à travers une membrane par seconde. D'un autre côté, ce modèle prédit très bien l'espace que la protéine occupera dans une membrane cellulaire, la profondeur de la membrane où se trouve la rétine ou si certains composés peuvent raisonnablement « fuir » par le canal interne.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (propre travail), Université de Californie, Davis
Dérivé de PDBID:4FPD

Un exemple de chimie : un modèle de lignée moléculaire du glucose

Figure 3: Un dessin au trait d'une molécule de glucose. Par convention, les points où les lignes droites se rencontrent représentent des atomes de carbone tandis que d'autres atomes sont indiqués explicitement. Compte tenu de quelques informations supplémentaires sur la nature des atomes qui sont représentés au sens figuré ici, ce modèle peut être utile pour prédire certaines des propriétés chimiques de cette molécule, y compris la solubilité ou les réactions potentielles qu'elle pourrait entreprendre avec d'autres molécules. Les hypothèses simplificatrices cachent cependant la dynamique des molécules.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

Un exemple de la vie quotidienne : Un modèle réduit d'une Ferrari

Un modèle réduit d'une Ferrari. Il existe de nombreuses simplifications et la plupart ne rendent cela utile que pour prédire la forme générale et les proportions relatives de la réalité. Par exemple, ce modèle ne nous donne aucun pouvoir prédictif sur la façon dont la voiture roule ou à quelle vitesse elle s'arrête à partir d'une vitesse de 70 km/s.

Source : Créé par Marc T. Facciotti (Travail personnel)

Remarque : discussion possible

Décrivez un modèle physique que vous utilisez dans la vie de tous les jours. Qu'est-ce que le modèle simplifie par rapport à la réalité ?

Remarque : discussion possible

Décrivez un dessin que vous utilisez en classe de sciences pour modéliser quelque chose de réel. Qu'est-ce que le modèle simplifie par rapport à la réalité ? Quels sont les avantages et les inconvénients des simplifications ?

La vache sphérique

La vache sphérique est une métaphore célèbre en physique qui se moque des tendances des physiciens à créer des modèles extrêmement simplifiés pour des choses très complexes. De nombreuses blagues sont associées à cette métaphore et elles ressemblent à ceci :

« La production de lait dans une ferme laitière était faible, alors le fermier a écrit à l'université locale, demandant l'aide du milieu universitaire. Une équipe multidisciplinaire de professeurs a été constituée, dirigée par un physicien théoricien, et deux semaines d'enquête intensive sur place ont eu lieu Les savants sont ensuite retournés à l'université, les cahiers bourrés de données, où la tâche de rédiger le rapport a été laissée au chef d'équipe. Peu de temps après, le physicien est retourné à la ferme en disant au fermier : ne fonctionne que dans le cas de vaches sphériques sous vide".
Source : page Wikipedia sur Spherical Cow - consultée le 23 novembre 2015.

Une représentation de bande dessinée d'une vache sphérique.
Source : https://upload.wikimedia.org/wikiped.../d2/Sphcow.jpg
Par Ingrid Kallick (Travail personnel) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons

La vache sphérique est une manière amusante de ridiculiser le processus de création de modèles simples et il est fort probable que votre instructeur BIS2A invoque la référence à la vache sphérique lorsqu'un modèle trop simplifié de quelque chose en biologie est en cours de discussion. Soyez prêt pour cela !

Analyse des limites ou asymptotique

Dans BIS2A, nous utilisons fréquemment des modèles. Parfois, nous aimons aussi imaginer ou tester à quel point nos modèles représentent réellement la réalité et comparer cela avec les attentes de ce que nous savons être vrai pour la réalité. Il existe de nombreuses façons de le faire en fonction de la précision avec laquelle vous devez connaître le comportement de la chose que vous essayez de modéliser. Si vous avez besoin de connaître beaucoup de détails, vous créez un modèle détaillé. Si vous êtes prêt à vivre avec moins de détails, vous créerez un modèle plus simple. En plus d'appliquer hypothèses simplificatrices, il est souvent utile d'évaluer votre modèle à l'aide d'une technique que nous appelons délimitation ou analyse asymptotique. L'idée principale de cette technique est d'utiliser le modèle, complet avec hypothèses simplificatrices, pour comprendre comment la chose réelle peut se comporter dans des conditions extrêmes (par exemple, évaluer le modèle aux valeurs minimales et maximales d'une variable). Examinons un exemple simple et réel du fonctionnement de cette technique :

Exemple : Délimitation

Configuration du problème
Imaginez que vous deviez quitter Davis, CA et rentrer chez vous à Selma, CA pour le week-end. Il est 17h et tu as dit à tes parents que tu serais rentré à 18h30. Selma est à 200 miles (322 km) de Davis. Vous craignez de ne pas rentrer à temps à la maison. Pouvez-vous avoir une estimation de si c'est même possible ou si vous allez réchauffer votre dîner au micro-ondes ?

Créer un modèle simplifié et utiliser des limites
Vous pouvez créer un modèle simplifié. Dans ce cas, vous pouvez supposer que la route entre Davis et Selma est parfaitement droite. Vous supposez également que votre voiture n'a que 2 vitesses : 0 mph et 120 mph. Ces deux vitesses sont les vitesses minimale et maximale que vous pouvez parcourir - les valeurs limites. Vous pouvez maintenant estimer que même dans les hypothèses du scénario théorique du "meilleur des cas", où vous conduirez sur une route parfaitement droite sans obstacles ni circulation à vitesse maximale, vous ne rentrerez pas chez vous à temps. À la vitesse maximale, vous ne couvririez que 180 des 200 milles requis en une heure et demie.

Interprétation
Dans cet exemple réel, un modèle simplifié est créé. Dans ce cas, un élément très important hypothèses simplificatrices est faite : La route est supposée droite et libre d'obstacles ou de circulation. Ces hypothèses vous permettent de supposer raisonnablement que vous pourriez conduire cette route à pleine vitesse sur toute la distance. Les hypothèses simplificatrices simplifié une grande partie de ce que vous savez être réellement présent dans le monde réel et qui influencerait la vitesse à laquelle vous pourriez voyager et, par extension, le temps qu'il faudrait pour faire le voyage. L'utilisation de limites - ou le calcul du comportement des vitesses minimale et maximale est un moyen de faire des prédictions rapides sur ce qui pourrait se produire dans le monde réel.

Nous effectuerons des analyses similaires dans BIS2A.

L'importance de connaître les hypothèses clés du modèle

Savoir quelles hypothèses simplificatrices sont faites dans un modèle est essentiel pour juger de son utilité pour prédire la vie réelle et pour commencer à deviner où le modèle doit être amélioré s'il n'est pas suffisamment prédictif. Dans BIS2A, il vous sera périodiquement demandé de créer différents types de modèles et d'identifier explicitement les hypothèses simplificatrices et l'impact de ces hypothèses sur l'utilité et la capacité prédictive du modèle. Nous utiliserons également des modèles avec englobant exercices pour essayer d'apprendre quelque chose sur le comportement potentiel d'un système.

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Approche générale des types de biomolécules dans Bis2a

Un peu de contexte et de motivation

Dans BIS2A, nous nous efforçons principalement de développer une compréhension fonctionnelle d'une cellule biologique. Dans le contexte d'un problème de conception, nous pourrions dire que nous voulons résoudre le problème de la construction d'une cellule. Si nous décomposons cette grande tâche en problèmes plus petits ou si nous demandons quels types de choses devons-nous comprendre pour ce faire, il serait raisonnable de conclure qu'il serait important de comprendre de quoi est faite la cellule. Cela dit, il ne suffit pas d'apprécier DE QUOI la cellule est faite. Nous devons également comprendre les PROPRIÉTÉS des matériaux qui composent la cellule. Cela nous oblige à creuser un peu dans la chimie - la science des "trucs" (matière) qui composent le monde que nous connaissons.

Cette perspective de parler de chimie moléculaire et de thermodynamique rend certains étudiants en biologie inquiets. Espérons cependant que nous montrerons que bon nombre des nombreux processus biologiques qui nous intéressent découlent directement des propriétés chimiques des « trucs » qui composent la vie et que développer une compréhension fonctionnelle de certains concepts chimiques de base peut être extrêmement utile. en réfléchissant à la façon de résoudre les problèmes de médecine, d'énergie et d'environnement en les attaquant à leur cœur.

Importance de la composition chimique

En tant qu'étudiant en BIS2A, il vous sera demandé de classer les macromolécules en groupes en examinant leur composition chimique et, sur la base de cette composition, de déduire également certaines des propriétés qu'elles pourraient avoir. Par exemple, les glucides ont généralement plusieurs groupes hydroxyle. Les groupes hydroxyle sont des groupes fonctionnels polaires capables de former des liaisons hydrogène. Par conséquent, certaines des propriétés biologiquement pertinentes de divers glucides peuvent être comprises à un certain niveau par un équilibre entre la façon dont ils ont tendance à former des liaisons hydrogène avec l'eau, eux-mêmes ou d'autres molécules.

Lier la structure à la fonction

Chaque macromolécule joue un rôle spécifique dans le fonctionnement global d'une cellule. Les propriétés chimiques et la structure d'une macromolécule seront directement liées à sa fonction. Par exemple, la structure d'un phospholipide peut être décomposée en deux groupes, un groupe de tête hydrophile et un groupe de queue hydrophobe. Chacun de ces groupes joue un rôle non seulement dans l'assemblage de la membrane cellulaire mais aussi dans la sélectivité des substances qui peuvent/ne peuvent pas traverser la membrane.

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Les atomes sont les éléments constitutifs des molécules présentes dans l'univers : air, sol, eau, roches . et aussi les cellules de tous les organismes vivants. Dans ce modèle de molécule organique, les atomes de carbone (noir), d'hydrogène (blanc), d'azote (bleu), d'oxygène (rouge) et de soufre (jaune) sont représentés en taille atomique proportionnelle. Les tiges d'argent représentent des liaisons chimiques. (crédit : modification d'œuvre par Christian Guthier)

La structure d'un atome

Un atome est la plus petite unité de matière qui conserve toutes les propriétés chimiques d'un élément. Éléments sont des formes de matière avec des propriétés chimiques et physiques spécifiques qui ne peuvent pas être décomposées en substances plus petites par des réactions chimiques ordinaires.

La chimie discutée dans BIS2A nous oblige à utiliser un modèle pour un atome. Bien qu'il existe des modèles plus sophistiqués, le modèle atomique utilisé dans ce cours fait l'hypothèse simplificatrice que l'atome standard est composé de trois particules subatomiques, les proton, les neutron, et le électron. Les protons et les neutrons ont une masse d'environ 1 unité de masse atomique (a.m.u.). Une unité de masse atomique équivaut à environ 1.660538921 ×10-27kg - environ 1/12 de la masse d'un atome de carbone (voir le tableau ci-dessous pour une valeur plus précise). La masse d'un électron est de 0,000548597 a.m.u. ou 9,1 x 10-31kg. Les neutrons et les protons résident au centre de l'atome dans une région appelée la noyau tandis que les électrons gravitent autour du noyau dans des zones appelées orbitales, comme illustré ci-dessous. La seule exception à cette description est l'atome d'hydrogène (H), qui est composé d'un proton et d'un électron sans neutrons. Un atome se voit attribuer un numéro atomique en fonction du nombre de protons dans le noyau. Le carbone neutre (C), par exemple, a 6 neutrons, 6 protons et 6 électrons. Il a un numéro atomique de 6 et une masse d'un peu plus de 12 heures du matin.

Protons, neutrons et électrons
ChargerMesse (a.m.u.)Masse (kg)Emplacement
Proton+1~11.6726x10-27noyau
Neutron0~11.6749x10-27noyau
Électron–1~09.1094x10-31orbitales

TABLE: Charge, masse et emplacement des particules subatomiques

Ce tableau indique la charge et l'emplacement de trois particules subatomiques - le neutron, le proton et l'électron. le matin = unité de masse atomique (aka. dalton - symbole Da) - ceci est défini comme environ un douzième de la masse d'un atome de carbone neutre ou 1.660538921 × 10−27 kg. C'est à peu près la masse d'un proton ou d'un neutron.

Les éléments, tels que l'hélium, représentés ici, sont constitués d'atomes. Les atomes sont constitués de protons et de neutrons situés dans le noyau et d'électrons entourant le noyau dans des régions appelées orbitales. (Remarque : cette figure représente un modèle de Bohr pour un atome - nous pourrions utiliser une nouvelle figure open source qui représente un modèle plus moderne pour les orbitales. Si quelqu'un en trouve un, veuillez le transmettre.)
Source :(https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Par utilisateur : Yzmo (Travail personnel) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0/)], via Wikimedia Commons

Tailles relatives et distribution des éléments

L'atome typique a un rayon de 1-2 angströms (Å). 1Å = 1 x 10-10m. Le noyau typique a un rayon 1 x 10-5Å ou 10 000 plus petit que le rayon de l'atome entier. Par analogie, un grand ballon d'exercice typique a un rayon de 0,85 m. S'il s'agissait d'un atome, le noyau aurait un rayon d'environ 1/2 à 1/10 de vos cheveux les plus fins. Tout ce volume supplémentaire est occupé par les électrons dans des régions appelées orbitales. Pour un atome idéal, les orbitales sont des régions définies de manière probabiliste dans l'espace autour du noyau dans lesquelles on peut s'attendre à trouver un électron.

Pour des informations de base supplémentaires sur la structure atomique, cliquez ici.
Pour plus d'informations de base sur les orbitales, cliquez ici.

Pour un examen de la structure atomique, regardez cette vidéo YouTube : structure atomique.

Les propriétés des matériaux vivants et non vivants sont déterminées dans une large mesure par la composition et l'organisation de leurs éléments constitutifs. Cinq éléments sont communs à tous les organismes vivants : l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H), le phosphore (P) et l'azote (N). D'autres éléments comme le soufre (S), le calcium (Ca), le chlorure (Cl), le sodium (Na), le fer (Fe), le cobalt (Co), le magnésium, le potassium (K) et plusieurs autres oligo-éléments sont également nécessaires à la vie mais se trouvent généralement en beaucoup moins d'abondance que les "cinq premiers" mentionnés ci-dessus. En conséquence, la chimie de la vie - et par extension la chimie pertinente dans Bis2A, se concentre en grande partie sur les arrangements communs et les réactions entre les "cinq premiers" atomes de base de la biologie.

Un tableau illustrant l'abondance des éléments dans le corps humain. Un camembert illustrant les relations d'abondance entre les 4 éléments les plus communs.
Crédit : Données de Wikipédia (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements) ; tableau créé par Marc T. Facciotti

Le tableau périodique

Les différents éléments sont organisés et affichés dans le tableau périodique. Conçu par le chimiste russe Dmitri Mendeleev (1834-1907) en 1869, le tableau regroupe des éléments qui, en raison de certaines similitudes de leur structure atomique, partagent certaines propriétés chimiques. La structure atomique des éléments est responsable de leurs propriétés physiques, y compris s'ils existent sous forme de gaz, de solides ou de liquides dans des conditions spécifiques et et leur réactivité chimique, un terme qui fait référence à leur capacité à se combiner et à se lier chimiquement entre eux et avec d'autres éléments.

Dans le tableau périodique ci-dessous, les éléments sont organisés et affichés en fonction de leur numéro atomique et sont disposés en une série de lignes et de colonnes en fonction de propriétés chimiques et physiques partagées. En plus de fournir le numéro atomique de chaque élément, le tableau périodique affiche également la masse atomique de l'élément. En regardant le carbone, par exemple, son symbole (C) et son nom apparaissent, ainsi que son numéro atomique de six (dans le coin supérieur droit indiquant le nombre de protons dans le noyau neutre) et sa masse atomique de 12,11 (somme de la masse des électrons, des protons et des neutrons).

Le tableau périodique indique la masse atomique et le numéro atomique de chaque élément. Le numéro atomique apparaît au-dessus du symbole de l'élément et la masse atomique approximative apparaît à gauche.
Source : Par 2012rc (self-made using inkscape) [Domaine public], via Wikimedia Commons Modifié par Marc T. Facciotti - 2016

Électronégativité

Les molécules sont des ensembles d'atomes qui sont associés les uns aux autres par des liaisons. Il est raisonnable de s'attendre - et c'est le cas empiriquement - à ce que différents atomes présentent des propriétés physiques différentes, y compris des capacités à interagir avec d'autres atomes. Une de ces propriétés, la tendance d'un atome à attirer des électrons, est décrite par le concept chimique et le terme électronégativité. Alors que plusieurs méthodes de mesure de l'électronégativité ont été développées, la plus couramment enseignée aux biologistes est celle créée par Linus Pauling.

Une description de la façon dont l'électronégativité de Pauling peut être calculée dépasse le cadre de Bis2a. Ce qu'il est important de savoir, cependant, c'est que les valeurs d'électronégativité ont été déterminées expérimentalement et/ou théoriquement pour presque tous les éléments du tableau périodique. Les valeurs sont sans unité et sont rapportées par rapport à la référence standard, l'hydrogène, dont l'électronégativité est de 2,20. Plus la valeur d'électronégativité est élevée, plus un atome a tendance à attirer des électrons. En utilisant cette échelle, l'électronégativité de différents atomes peut être comparée quantitativement. Par exemple, en utilisant le tableau 1 ci-dessous, vous pourriez signaler que les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que les atomes de phosphore.

Valeurs d'électronégativité de Pauling pour certains éléments pertinents pour Bis2A et les éléments aux deux extrêmes (le plus haut et le plus bas) de l'échelle d'électronégativité.

Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

L'utilité de l'échelle d'électronégativité de Pauling dans Bis2a est de fournir une base chimique pour expliquer les types de liaisons qui se forment entre les éléments courants dans les systèmes biologiques et d'expliquer certaines des interactions clés que nous observons régulièrement. Nous développons notre compréhension des arguments basés sur l'électronégativité sur les liaisons et les interactions moléculaires en comparant les électronégativités entre deux atomes. Rappelez-vous, plus l'électronégativité est grande, plus la "traction" qu'un atome exerce sur les électrons proches est forte.

On peut considérer par exemple l'interaction commune entre l'oxygène (O) et l'hydrogène (H). Supposons que O et H interagissent (formant une liaison) et écrivons cette interaction comme O-H, où le tiret entre les lettres représente l'interaction entre les deux atomes. Pour mieux comprendre cette interaction, nous pouvons comparer l'électronégativité relative de chaque atome. En examinant le tableau ci-dessus, nous voyons que O a une électronégativité de 3,44 et H a une électronégativité de 2,20.

Sur la base du concept d'électronégativité tel que nous le comprenons maintenant, nous pouvons supposer que l'atome d'oxygène (O) aura tendance à « tirer » les électrons loin de l'hydrogène (H) lorsqu'ils interagissent. Cela donnera lieu à une charge négative légère mais significative autour de l'atome O (en raison de la tendance plus élevée des électrons à s'associer à l'atome O). Cela se traduit également par une légère charge positive autour de l'atome H (en raison de la diminution de la probabilité de trouver un électron à proximité). Étant donné que les électrons ne sont pas répartis uniformément entre les deux atomes ET, par conséquent, la charge électrique n'est pas non plus répartie uniformément, nous appelons cette interaction ou liaison polaire. Il y a en effet deux pôles ; le pôle négatif près de l'oxygène et le pôle positif près de l'hydrogène.

Pour étendre l'utilité de ce concept, nous pouvons maintenant nous demander en quoi une interaction entre l'oxygène (O) et l'hydrogène (H) diffère d'une interaction entre le soufre (S) et l'hydrogène (H). C'est en quoi O-H diffère de S-H ? Si nous examinons le tableau ci-dessus, nous voyons que la différence d'électronégativité O et H est de 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24) et que la différence d'électronégativité entre S et H est de 0,38 (2,58 - 2,20 = 0,38). Nous pouvons donc conclure qu'une liaison O-H est plus polaire qu'une liaison S-H. Nous discuterons des conséquences de ces différences dans les chapitres suivants.

Le tableau périodique avec les électronégativités de chaque atome répertorié.
Attribution : par DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Un examen du tableau périodique des éléments (figure ci-dessus) illustre que l'électronégativité est liée à certaines des propriétés physiques utilisées pour organiser les éléments dans le tableau. Certaines tendances se dessinent. Par exemple, les atomes avec la plus grande électronégativité ont tendance à résider dans le coin supérieur droit du tableau périodique, comme le fluor (F), l'oxygène (O) et le chlore (Cl), tandis que les éléments avec la plus petite électronégativité ont tendance à être trouvés à l'autre bout du tableau, en bas à gauche, comme le Francium (Fr), le Césium (Cs) et le Radium (Ra).

Plus d'informations sur l'électronégativité peuvent être trouvées dans le

L'utilisation principale du concept d'électronégativité dans Bis2a sera donc de fournir une base conceptuelle pour discuter des différents types de liaisons chimiques qui se produisent entre les atomes dans la Nature. Nous nous concentrerons principalement sur trois types d'obligations : Des liaisons ioniques, Des liaisons covalentes et Liaisons hydrogène.

Types d'obligations

Chez Bis2a, nous nous concentrons principalement sur trois types d'obligations différents : liaisons ioniques, liaisons covalentes, et liaisons hydrogène. Nous attendons des étudiants qu'ils soient capables de reconnaître chaque type de liaison différent dans les modèles moléculaires. De plus, pour les liaisons couramment observées en biologie, nous attendons des étudiants qu'ils fournissent une explication chimique, enracinée dans des idées telles que l'électronégativité, de la façon dont ces liaisons contribuent à la chimie des molécules biologiques.

Des liaisons ioniques

Des liaisons ioniques sont des interactions électrostatiques formées entre des ions de charges opposées. Par exemple, la plupart d'entre nous apprécient que le chlorure de sodium (NaCl) des ions sodium chargés positivement et des ions chlorure chargés négativement s'associent via des interactions électrostatiques (+ attire -) pour former des cristaux de chlorure de sodium, ou sel de table, créant une molécule cristalline avec une charge nette nulle. . Ces origines de ces interactions peuvent provenir de l'association d'atomes neutres dont la différence d'électronégativités est suffisamment élevée. Prenons l'exemple ci-dessus. Si nous imaginons qu'un atome de sodium neutre et un atome de chlore neutre se soient rapprochés l'un de l'autre, il est possible qu'à des distances rapprochées, en raison de la différence relativement importante d'électronégatif entre les deux atomes, un électron de l'atome de sodium neutre ait été transféré au chlorure neutre. atome, résultant en un ion chlorure chargé négativement et un ions sodium chargés positivement. Ces ions peuvent désormais interagir via une liaison ionique.

La formation d'une liaison ionique entre le sodium et le chlorure est représentée. Dans le panneau A, une différence d'électronégativité suffisante entre le sodium et le chlorure induit un transfert d'électron du sodium vers le chlorure formant deux ions illustrés dans le panneau b. Dans le panneau c, les deux ions s'associent via une interaction électrostatique.

Attribution : par BruceBlaus (Travail personnel) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Ce mouvement d'électrons d'un atome à un autre est appelé transfert d'électrons. Dans l'exemple ci-dessus, lorsque le sodium perd un électron, il a maintenant 11 protons, 11 neutrons et 10 électrons, ce qui lui laisse une charge globale de +1 (charges sommatives : 11 protons à +1 charge chacun et 10 électrons à -1 charger chacun = +1). Une fois chargé, l'atome de sodium est appelé ion sodium. De même, sur la base de son électronégativité, un atome de chlore neutre (Cl) a tendance à gagner un électron pour créer un ion avec 17 protons, 17 neutrons et 18 électrons, ce qui lui donne une charge nette négative (–1). Il est maintenant appelé ion chlorure.

Nous pouvons interpréter le transfert d'électrons ci-dessus en utilisant le concept d'électronégativité. Commencez par comparer les électronégativités du sodium et du chlore en examinant le tableau périodique des éléments ci-dessous. Nous voyons que le chlore est situé dans le coin supérieur droit du tableau tandis que le sodium est situé dans le coin supérieur gauche. En comparant directement les valeurs d'électronégativité du chlore et du sodium, nous voyons que l'atome de chlore est plus électronégatif que son homologue de sodium. La différence d'électronégativité du chlore (3,16) et du sodium (0,93) est de 2,23 (selon l'échelle du tableau ci-dessous). Étant donné que nous savons qu'un transfert d'électrons aura lieu entre ces deux éléments, nous pouvons conclure que des différences d'électronégativité de ~ 2,2 sont suffisamment importantes pour provoquer un transfert d'électrons entre deux atomes et que les interactions entre ces éléments se font probablement par des liaisons ioniques.

Le tableau périodique des éléments répertoriant les valeurs d'électronégativité pour chaque élément. Les éléments sodium et chlore sont encadrés avec une limite sarcelle. Attribution : par DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons - Modifié par Marc T. Facciotti

Noter:

Discussion possible : Les atomes d'une brique de sel de table (NaCl) de 5 po x 5 po posée sur le comptoir de votre cuisine sont maintenus ensemble presque entièrement par des liaisons ioniques. Sur la base de cette observation, comment caractériseriez-vous la force des liaisons ioniques ?

Considérez maintenant cette même brique de sel de table après avoir été jetée dans une piscine d'arrière-cour moyenne. Après quelques heures, la brique serait complètement dissoute et les ions sodium et chlorure seraient uniformément répartis dans toute la piscine. Que pourriez-vous conclure sur la force des liaisons ioniques à partir de cette observation ?

Proposer une raison pour laquelle les liaisons ioniques de l'air pourraient se comporter différemment de celles de l'eau ? Quelle est l'importance de cela pour la biologie?

Pour plus d'informations :

Consultez le lien de l'académie Khan sur les liaisons ioniques.

Des liaisons covalentes

Nous pouvons également invoquer le concept d'électronégativité pour aider à décrire les interactions entre des atomes d'électronégativité similaire, des différences plus petites que celles requises pour former une liaison ionique. Ces types d'associations aboutissent souvent à une liaison appelée liaison covalente. Dans ces liaisons, les électrons sont partagés entre deux atomes - contrairement à une interaction ionique dans laquelle les électrons restent sur chaque atome d'un ion ou sont transférés entre des espèces d'électronégativités très différentes.

Nous commençons par explorer la liaison covalente en examinant un exemple où la différence d'électronégativité est nulle. Considérons une interaction très courante en biologie, l'interaction entre deux atomes de carbone. Dans ce cas, chaque atome a la même électronégativité, 2,55 ; la différence d'électronégativité est donc nulle. Si nous construisons notre modèle mental de cette interaction en utilisant le concept d'électronégativité, nous réalisons que chaque atome de la paire carbone-carbone a la même tendance à "attirer" des électrons vers lui. Dans ce cas, lorsqu'une liaison est formée, aucun des deux atomes n'aura tendance à « tirer » (un bon anthropomorphisme) les électrons de l'autre, ils « partageront » (un autre anthropomorphisme) les électrons de manière égale, à la place.

De côté:

Exemple de délimitation : Les deux exemples ci-dessus (1) l'interaction du sodium et du chlore et (2) l'interaction entre deux atomes de carbone est un exemple de cadrage d'une discussion par analyse de délimitation ou asymptotique (voir lecture précédente). Nous avons examiné ce qui arrive à un système physique en considérant deux extrêmes. Dans ce cas, les extrêmes étaient dans les différences d'électronégativité entre les atomes en interaction. L'interaction du sodium et du chlore a illustré ce qui se passe lorsque deux atomes ont une grande différence d'électronégativité et l'exemple du carbone-carbone illustre ce qui se passe lorsque cette différence est nulle. Une fois que nous avons ces poteaux mentaux décrivant ce qui se passe aux extrêmes, il est alors plus facile d'imaginer ce qui pourrait se passer entre les deux - dans ce cas, ce qui se passe avec des différences d'électronégativité comprises entre 0 et 2,2. Nous le faisons ensuite.

Lorsque le partage d'électrons entre deux atomes liés de manière covalente est presque égal, nous appelons ces liaisons des liaisons covalentes non polaires. Si au contraire, le partage des électrons n'est pas égal entre les deux atomes (probablement en raison d'une différence d'électronégativités entre les atomes) on appelle ces liaisons Covalent polaire obligations.

Dans un Covalent polaire liaisons, les électrons sont inégalement partagés par les atomes et sont attirés par un noyau plus que par l'autre. En raison de la répartition inégale des électrons entre les atomes d'une liaison covalente polaire, une charge légèrement positive (indiquée δ+) ou légèrement négative (indiquée δ–) se développe sur chaque pôle de la liaison. Cette charge légèrement positive (δ+) se développera sur l'atome le moins électronégatif à mesure que les électrons seront attirés davantage vers l'atome légèrement plus électronégatif. Une légère charge négative (indiquée δ–) se développera sur l'atome le plus électronégatif. Puisqu'il y a deux pôles (les pôles positif et négatif), on dit que la liaison possède un dipôle.

Exemples de liaisons covalentes non polaires et polaires dans des molécules biologiquement pertinentes

Liaisons covalentes non polaires

Oxygène moléculaire

Oxygène moléculaire (O2) est une association entre deux atomes d'oxygène. Étant donné que les deux atomes partagent la même électronégativité, les liaisons en oxygène moléculaire covalent non polaire.

Méthane

Un autre exemple d'une liaison covalente non polaire est la liaison C-H trouvée dans le méthane gazeux (CH4). Contrairement au cas de l'oxygène moléculaire où les deux atomes liés partagent la même électronégativité, le carbone et l'hydrogène n'ont pas la même électronégativité ; C = 2,55 et H = 2,20 - la différence d'électronégativité est de 0,35.

Dessins au trait moléculaire d'oxygène moléculaire, de méthane et de dioxyde de carbone.

Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Certains d'entre vous peuvent maintenant être confus. S'il y a une différence d'électronégativité entre les deux atomes, la liaison n'est-elle pas par définition polaire ? La réponse est à la fois oui et non et dépend de la définition de polar que le locuteur/écrivain utilise. Puisqu'il s'agit d'un exemple de la façon dont les raccourcis dans l'utilisation d'un vocabulaire spécifique peuvent parfois prêter à confusion, nous prenons un moment pour en discuter ici. Voir la simulation d'échange entre l'étudiant et l'instructeur ci-dessous pour des éclaircissements :

1. Instructeur : "En biologie, nous pensons souvent que la liaison C-H est non polaire."

2. Étudiant : "Mais il y a une différence d'électronégativité entre C et H et il semblerait donc que C devrait avoir un peu plus tendance à attirer les électrons. Cette différence devrait créer une petite charge négative autour du carbone et une petite charge positive autour l'hydrogène."

3. Étudiant : « Puisqu'il y a une distribution différentielle de charge à travers la liaison, il semblerait que, par définition, cela devrait être considéré comme une liaison polaire.

4. Instructeur : « En fait, le lien a un petit caractère polaire. » 5. Étudiant : « Alors, c'est polaire ? Je suis confus. »

6. Instructeur : « Il a une petite quantité de caractère polaire, mais il s'avère que pour la plupart de la chimie commune que nous rencontrerons, cette petite quantité de caractère polaire est insuffisante pour conduire à une chimie « intéressante ». la liaison est strictement légèrement polaire, d'un point de vue pratique, elle est effectivement non polaire. Nous l'appelons donc non polaire.

7. Étudiant : « C'est inutilement déroutant, comment suis-je censé savoir quand vous voulez dire strictement 100 % non polaire, légèrement polaire ou fonctionnellement polaire lorsque vous utilisez le même mot pour décrire deux de ces trois choses ? »

8. Instructeur : « Ouais, ça craint. La solution est que je dois être aussi clair que possible lorsque je vous parle de « polarité » sur la façon dont j'utilise le terme. Je dois également vous informer que vous trouverez ce raccourci (et d'autres) utilisé lorsque vous sortez sur le terrain et vous encourage à commencer à apprendre à reconnaître ce qui est visé par le contexte de la conversation.

Une analogie réelle de ce même problème pourrait être l'utilisation du mot "journal". Il peut être utilisé dans une phrase pour faire référence à l'entreprise qui publie des nouvelles OU il peut faire référence à l'élément réel que l'entreprise produit. Dans ce cas, la désambiguïsation est facilement faite par des anglophones natifs qui peuvent lire le sens du contexte ; les nouveaux apprenants peuvent être plus confus. Ne vous inquiétez pas, à mesure que vous verrez plus d'exemples d'utilisation de mots techniques en science, vous apprendrez également à lire le sens du contexte. »

De côté:

Quelle doit être la différence d'électronégativité pour créer une liaison suffisamment polaire pour que nous décidions de l'appeler polaire en biologie ? Bien sûr, la valeur exacte dépend d'un certain nombre de facteurs, mais en règle générale, nous utilisons parfois une différence de 0,4 comme estimation.

Cette information supplémentaire est purement pour votre information. Il ne vous sera pas demandé d'attribuer une polarité en fonction de ce critère dans Bis2a. Vous devriez cependant apprécier le concept de la façon dont la polarité peut être déterminée en utilisant le concept d'électronégativité, les conséquences fonctionnelles de la polarité (plus à ce sujet dans d'autres sections) et la nuance associée à ces termes (la discussion ci-dessus).

Liaisons covalentes polaires

Les Covalent polaire La liaison peut être illustrée en examinant l'association entre O et H dans l'eau (H2O). L'oxygène a une électronégativité de 3,44 tandis que l'hydrogène a une électronégativité de 2,20. La différence d'électronégativité est de 1,24. Il s'avère que cette taille de différence d'électronégativité est suffisamment grande pour que le dipôle à travers la liaison contribue aux phénomènes chimiques auxquels nous allons nous intéresser.

C'est aussi un bon point pour mentionner une autre source courante de confusion chez les étudiants concernant l'utilisation du terme polaire. L'eau a polaire obligations. Cette déclaration se réfère spécifiquement aux liaisons O-H individuelles. Chacune de ces liaisons possède un dipôle. Cependant, les élèves entendront également que l'eau est un pôle molécule. C'est également vrai. Cette dernière déclaration fait référence au fait que la somme des deux dipôles de liaison crée un dipôle à travers la molécule entière. UNE molécule peut être non polaire mais avoir encore des liaisons polaires.

Une molécule d'eau possède deux liaisons polaires O-H. Puisque la distribution de charge dans la molécule est asymétrique (en raison du nombre et de l'orientation relative des dipôles de liaison), la molécule est également polaire. Le nom de l'élément et les électronégativités sont indiqués dans la sphère respective.

Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Pour plus d'informations : Visionnez cette courte vidéo pour voir une animation de la liaison ionique et covalente.

Le continuum de liaisons entre covalent et ionique

La discussion sur les types de liaisons ci-dessus met en évidence que dans la nature, vous verrez des liaisons sur un continuum allant de la covalente complètement non polaire à la pure ionique en fonction des atomes qui interagissent. Au fur et à mesure que vous avancez dans vos études, vous découvrirez en outre que dans les molécules multi-atomes plus grandes, la localisation des électrons autour d'un atome est également influencée par de multiples facteurs. Par exemple, d'autres atomes qui sont également liés à proximité exerceront une influence sur la distribution des électrons autour d'un noyau d'une manière qui n'est pas facilement expliquée en invoquant des arguments simples de comparaisons par paires d'électronégativité. Les champs électrostatiques locaux produits par d'autres atomes non liés peuvent également avoir une influence. Rappelons que la réalité est toujours plus compliquée que nos modèles. Cependant, si les modèles nous permettent de raisonner et de prédire avec une "assez bonne" précision ou de comprendre certains concepts sous-jacents clés qui peuvent être étendus plus tard, ils sont très utiles.

Obligations clés dans Bis2a

Heureusement, dans Bis2A, nous sommes largement concernés par le comportement chimique et les liaisons entre les atomes dans les biomolécules. Étant donné que les systèmes biologiques sont composés d'un nombre relativement petit d'éléments communs (par exemple C, H, N, O, P, S) et de certains ions clés (par exemple Na+, Cl-, Ca2+, K+, etc.). Commencez à reconnaître les liaisons courantes et les propriétés chimiques que nous les voyons souvent montrer. Certaines liaisons courantes incluent C-C, C-O, C-H, N-H, C=O, C-N, P-O, O-H, S-H et certaines variantes. Ceux-ci seront discutés plus en détail dans le contexte des groupes fonctionnels. La tâche n'est pas aussi ardue qu'il y paraît.