3.Carbone/diversité moléculaire

3. LE CARBONE ET LA DIVERSITE MOLECULAIRE DE LA VIE

La chimie organique étudie les composés du carbone.

Les atomes de carbone peuvent former une grande variété de molécules en se liant à quatre autres atomes.

Les groupements fonctionnels sont les composantes des molécules organiques qui participent aux réactions chimiques.

Introduction : le carbone est l'élément fondamental des molécules organiques

Bien que l'eau soit le milieu universel de la vie sur terre, c'est le carbone qui constitue l'élément fondamental de la plupart des substances chimiques qui composent les êtres vivants. Le carbone entre dans la biosphère grâce à l'action des végétaux qui captent l'énergie solaire pour convertir le CO₂ atmosphérique en molécules de la vie. Ces molécules sont ensuite transmises aux animaux qui consomment des végétaux. De tous les éléments chimiques , le carbone n'a pas son pareil pour former des molécules volumineuses , complexes et variées. Cette diversité moléculaire a rendu possible la diversité des organismes qui ont évolué sur terre. Les protéines, l'ADN, les glucides et les autres molécules  qui caractérisent la matière vivante contiennent tous des atomes de carbone. Ceux-ci sont liés les uns aux autres et à des atomes d'autres éléments. Bien que les molécules complexes renferment d'autres éléments, tels que l'hydrogène ( H ), l'oxygène ( O ), l'azote ( N ) et parfois du soufre (S) ou du phosphore (P) , c'est au carbone ( C) que nous devons l'infinie diversité des molécules organiques.

La suite  portera tout particulièrement sur les protéines et d'autres molécules volumineuses. Dans le présent chapitre, nous étudierons les propriétés de molécules plus petites pour illustrer quelques concepts d'architecture moléculaire qui feront ressortir l'importance que le carbone revêt pour la vie et qui mettront en lumière une fois de plus le thème de l'émergence : l'organisation de la matière vivante fait apparaître des propriétés que chacun de ses composants pris isolément ne possède pas.

La chimie organique étudie les composés du carbone 

Les substances qui contiennent du carbone s'appellent composés organiques, et la branche de la chimie qui les étudie se nomme chimie organique . Les composés organiques varient des molécules simples telles que le méthane  ( CH₄) , aux molécules gigantesques comme les protéines , qui possèdent chacune des milliers d'atomes et une masse moléculaire supérieure à 100.000 u. La plupart des composés organiques contiennent des atomes d'hydrogène en plus des atomes de carbone. 

Les principaux éléments de la vie ( C,H,O,N, S et P ) se retrouvent à peu près dans les mêmes porcentages d'un être vivant à l'autre, cependant, en raison de la polyvalence du carbone , cet ensemble limité d'éléments constitutifs est agencé de si nombreuses façons qu'il forme une variété inépuisable de molécules organiques. Les diverses espèces et ainsi que les différents individus d'une même espèce se distingueent par les variations de leurs molécules organiques. 

Depuis des millénaires, l'Humain tire profit des êtres vivants qui peuvent lui fournir des substances précieuses. Pensons par exemple à la nourriture, aux médicaments et aux fibres textiles. La chimie organique tire son origine des tentatives de purification et d'amélioration de ces produits. Au début du XIXème siècle, les chimistes ont appris à fabriquer en laboratoire de nombreux composés simples , en combinants des éléments dans les bonnes conditions. La synthèse artificielle des molécules complexes comme celles que l'on peut extraire de la matière vivante , semblait alors impossible. A cet époque, le chimiste suédois Jons Jacob Berzelius  fit une distinction importante, il différencia les composés organiques, que seuls les êtres vivants pouvaient vraisemblablement fabriquer et les composés inorganiques du monde inanimé. A ses débuts, la chimie organique s'appuyait sur le vitalisme , doctrine suivant laquelle les phénomènes de la vie témoignent d'une force vitale et ne se réduisent pas aux lois physico-chimiques.    

Les chimistes commencèrent à discréditer le vitalisme lorsqu'ils apprirent à synthétiser des composés organiques dans leurs laboratoires . En 1828, Friedrich Wohler, un chimiste allemand qui avait reçu  l'enseignement de Berzelius , essayer de fabriquer un sel inorganique , le cyanate d'ammonium, en mélangeant des solutions d'ammonium ( NH₄+ ) et d'ions cyanate ( CNO-) . Il s'aperçut avec stupéfaction qu'il avait fabriqué de l'urée , un composé organique présent dans le plasma et l'urine des animaux . Il remit le vitalisme en question lorsqu'il écrivit : " Je dois vous dire que je suis capable de fabriquer de l'urée sans le secours d'un rein ni d'aucun animal, pas plus d'un Homme que d'un Animal". Cependant un des ingrédients qu'il avait utilisés dans la synthèse de l'urine , le cyanate, avait été extrait du sang d'un animal. Quelques années plus tard, Hermann Kolbe, un étudiant de Wohler synthétisa l'acide acétique ( un composé organique ) à partir de substances inorganiques elles mêmes directement préparées à partir d'éléments purs .

Mais les bases du vitalisme ne s'écroulèrent que quelques décennies plus tard, après que les chimistes eurent réussi à synthétiser en laboratoire des composés organiques de plus en plus complexes. En 1953, Stanley Miller qui faisait des études supérieures à l'université de Chicago, fit avancer les choses, il contribua à situer la synthèse abiotique ( qui n'implique pas le recours à des êtres vivants ) des composés organiques dans le contexte de l'évolution. A l'aide d'une simulation en laboratoire des conditions chimiques qui existaient sur la terre primitive , il démontra que la synthèse spontanée de composés organiques pouvait constituer une des premières étapes de l'origine de la vie.

Les pionniers de la chimie organique contribuèrent à faire passer le courant dominant du vitalisme au mécanisme . Le mécanisme est une théorie philosophique suivant laquelle  tous les phénomènes de la vie y compris  ceux de la vie sont gouvernés par des lois physiques et chimiques . La définition de la chimie organique fut étendue à tous les composés du carbone que"lle que soit leur origine . La plupart des composés organiques qui existent dans la nature, proviennent des êtres vivants. Ils présentent une diversité et une complexité largement supérieures à celle des composés inorganiques. Cependant , qu'elle soient organiques ou non, les molécules obéissent toutes aux mêmes lois chimiques . La chimie organique ne repose pas sur une quelconque loi vitale intangible, mais sur la polyvalence chimique unique du carbone .  

Les atomes de carbone peuvent former une grande variété de molécules en se liant à quatre autres atomes   

Comme nous l'avons  vu au chapitre précédent, la clé des propriétés chimiques d'un atome réside dans sa configuration électronique . Celle-ci détermine le type et le nombre de liaisons que l'atome forme avec d'autres atomes.

La formation des liaisons avec le carbone 

Le carbone forme au total 6 électrons ; 2 dans sa première couche électronique et 4 dans sa seconde qui peut en contenir 8.. Il a donc 4 électrons de valence , et il lui faudrait accepter ou céder 4 électrons pour compléter sa couche périphérique et devenir un ion ( un anion après avoir accepté 4 électrons ou un cation après avoir cédé 4 électrons ). Dans le but de combler son dernier niveau énergétique , il met plutôt en commun ses quatres électrons avec d'autres atomes pour ainsi obtenir huit électrons dans ce niveau. Chaque atome se comporte en fait comme un pont d'intersection à partir duquel une molécule peut se ramifier dans quatre directions . Le carbone doit en partie sa polyvalence à la capacité qu'il a de former quatre liaisons , ce qui rend possible l'existence de molécules complexes.